Экологическая оценка интенсивности загрязнения агроэкосистем на примере рязанской области
На правах рукописи
Блохова Юлия Александровна ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИНТЕНСИВНОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ РЯЗАНСКОЙ ОБЛАСТИ Специальность 03.02.08 – экология (биология)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Владимир – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образователь ном учреждении высшего профессионального образования Рязанском государственном агротехнологическом университете имени П.А. Костычева на кафедре экономики сельского хозяйства
Научный консультант:
Кандидат сельскохозяйственных наук, Евтюхин Владимир Федорович доцент
Официальные оппоненты:
Доктор биологических наук, профессор Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева, заведующий кафедрой экологии Васенв Иван Иванович, Доктор биологических наук, профессор, Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых, профессор кафедры Веслкин Геннадий ботаники, зоологии и экологии Алексеевич
Ведущая организация: ГНУ Рязанский Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии
Защита состоится «20» апреля 2012 года в 1600 часов на заседании диссер тационного совета ДМ. 212.025.07 во Владимирском государственном универ ситете имени А.Г. и Н.Г. Столетовых (600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1, аудитория 335).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимирского государствен ного университета имени А.Г. и Н.Г. Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87.
Автореферат разослан «16» марта 2012 года
Ученый секретарь диссертационного Н.В. Мищенко совета, кандидат биологических наук, доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Для центра Нечерноземной зоны Рос сийской Федерации, в том числе Рязанской области, одним из приоритетных направлений является ведение сельского хозяйства в условиях техногенного загрязнения биосферы. Антропогенное воздействие на агроландшафты, за ключающееся в химическом загрязнении отходами, выбросами, сточными водами промышленного и сельскохозяйственного производства приобрело глобальный характер, прогрессирует и требует необходимых мер защиты почвы, воды и растительности. Устойчивость экосистем сохраняется в том случае, когда не нарушаются е долговременные функции: продуктивность, биоразнообразие.
Фотохимические процессы в атмосфере, физико-химические и биоло гические – в водной и почвенной среде, не обеспечивают детоксикации резко возросшего количества загрязнителей. Опасными являются высокие концен трации тяжелых металлов, оксидов азота, аммиака, которые поступают в ат мосферу и биосферу в результате промышленных выбросов. При этом изме няются природные процессы миграции и трансформации веществ, естествен ный химический состав почв, растений и подземных вод.
Ведение земледелия, на техногенно загрязненных почвах, становится одной из актуальных проблем экологии и сельскохозяйственного производ ства. Наиболее масштабными источниками атмосферного загрязнения Рязан ского региона являются промышленные комплексы г.г. Рязани, Пронска. Аэ рогенный перенос загрязнений является наиболее масштабным способом воздействия на природную систему, так как он является непрерывно дейст вующим.
Разработка научно обоснованных приемов детоксикации почв актуаль на и необходима для обеспечения устойчивости земледелия, получения эко логически безопасной продукции, предупреждения дальнейшего распростра нения загрязнителей через почву, растения и подземные воды. Поэтому изу чение целого комплекса миграции поллютантов в системе «атмосфера (ее осадки) – почва – растения – подземные воды», их интенсивности загрязне ния направлено на решение проблемы реабилитации загрязненных сельско хозяйственных угодий, представленные в диссертационной работе, весьма актуальны.
Цель исследований – экологическая оценка поступления приоритет ных загрязняющих веществ в сельскохозяйственные и природные экосисте мы Рязанской области и разработать экологически обоснованные мероприя тия по снижению возможных неблагоприятных эффектов загрязнения, в том числе средствами комплексных мелиораций.
Для реализации указанной цели были поставлены следующие задачи:
изучить источники и степень техногенного воздействия на окру жающую природную среду;
дать оценку современного состояния экологической ситуации в аг роэкосистеме Рязанского региона;
проследить динамику миграции, трансформации химических эле ментов в зоне воздействия Рязанской ГРЭС;
определить спектр приоритетных загрязняющих веществ в объек тах исследований;
дать экспериментальное обоснование агрохимических мероприя тий, направленных на реабилитацию техногенно загрязненных почв в усло виях вегетационного опыта;
оценить эколого-экономическую эффективность исследуемых аг рохимических мелиораций для детоксикации загрязненных почв.
Научная новизна работы заключается в обосновании набора приори тетных загрязняющих веществ специфичных для Рязанского региона в соот ветствии со сложившимся уровнем техногенного воздействия и геохимиче ской специализацией промышленности, выявлении пространственных зако номерностей эколого-геохимической устойчивости агроэкосистем различных типов, а также в теоретическом обосновании и разработке эколого экономически оптимальных агромелиоративных мероприятий, способст вующих получению экологически безопасной продукции.
Основные положения, выносимые на защиту:
оценка региональных техногенных источников загрязнения атмо сферы предприятиями основных отраслей экономики Рязанской области;
характеристика интенсивности загрязнения агроценозов тяжелыми металлами, показать географическую специфику распространения загрязни телей;
оценка интенсивности загрязнения азотными соединениями снеж ного покрова и биосферы центральной части Рязанского региона;
балансовый анализ загрязнения приоритетными элементами гео систем зоны воздействия Рязанской ГРЭС;
закономерности миграции загрязняющих веществ в агроландшаф тах Рязанского региона и процессы их геохимической трансформации;
влияние агрохимических приемов на экологические функции тем но-серой лесной тяжелосуглинистой почвы;
эколого-экономическое обоснование мелиоративных мероприятий по повышению геохимической устойчивости техногенно загрязненных агро экосистем.
Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что они нашли востребование в проектной и эксплуатационной деятельности производственных организаций (Проектно-изыскательский институт «Авто дормостпроект» филиал ОАО «Рязаньавтодор», Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзора) по Ря занской области) и внедряются рядом хозяйств Пронского и Скопинского районов Рязанской области.
Основы оптимизации загрязненных ТМ темно-серых лесных почв мо гут также использоваться для обоснования параметров и технологий улуч шения эффективного плодородия малопродуктивных почв.
Результаты исследований включены в отчет о научно исследовательской работе по подзаданию: 03.01.03.05 «Разработать агробио логические мелиорации техногенно загрязненных почв южной части Нечер ноземной зоны РФ» (2006–2008), этап: разработать технологический регла мент и рекомендации к применению агрохимической мелиорации почв, под верженных техногенному загрязнению, в условиях южной части Нечерно земной зоны РФ» (2008).
На основании результатов исследований для ООО «Агрофирма МТС Нива-Рязани» Скопинского района Рязанской области были подготовлены и переданы рекомендации по ликвидации техногенного загрязнения дегради рованных почв, что позволило обеспечить благоприятные экологические ус ловия для выращивания сельскохозяйственной продукции и повысить уро жайность зерна на 36%.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на международных, всероссийских и от раслевых конференциях и совещаниях: «Проблемы мелиорации водохозяйст венного строительства и обустройства сельских территорий на современном этапе» (Горки, Беларусь, 2001);
«Ресурсосберегающие и энергоэффективные технологии и техника в орошаемом земледелии» (Коломна, ООО «Инлайт», 2003);
«Экологическое состояние природной среды и научно-практические современные мелиоративные технологии» (Рязань, 2004);
«Экологическое состояние природной среды и научно-практические современные мелиора тивные технологии» выпуск 2 (Рязань, 2006);
«Журнал для ученых, специа листов и практиков «Плодородие» – № 1(46)2009;
«Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сель скохозяйственного производства» (Рязань, 2009).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубли кованы в 5 печатных работах, из них 3 статьи в журналах из списка ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, изложенных на 149 страницах. Библиография вклю чает 231 источник, в том числе 8 на иностранных языках. Работа содержит рисунков, 35 таблиц.
Автор глубоко признателен своему научному руководителю кандидату сельскохозяйственных наук, доценту В.Ф. Евтюхину за постоянную помощь и поддержку при выполнении работы;
доктору сельскохозяйственных наук, профессору Ю.А. Мажайскому, доценту кафедры географии РГУ им. Есени на, кандидату биологических наук С.А Тобратову, научному консультанту, кандидату сельскохозяйственных наук, доценту Т.К. Никушиной за ценные советы и помощь при проведении почвенных анализов;
выражает большую благодарность родителям и родственникам за поддержку.
Объекты и методы исследования Решение намеченных задач почвенно-экологического обследования осуществлялось в рамках региональных и местных программ (ЗК РФ от 25.10.2001 № 136-ФЗ). Контроль за выполнением программы мониторинга земель Рязанской области на 2005–2010 гг. осуществлялся комитетом по зе мельным ресурсам и землеустройству Рязанской области и главным управле нием природных ресурсов РФ по Рязанской области.
Для изучения возможной транслокации загрязняющих веществ в при родной среде на основе эмпирического метода. При этом разработана квали фикационная шкала техногенного воздействия для Рязанского региона, кото рая по интенсивности антропогенного воздействия дифференцирована на очень высокие, высокие, повышенные, средние, низкие, очень низкие нагруз ки.
В точках постоянных наблюдений за антропогенными загрязнениями агроэкосистем отбирали почвенные пробы в соответствии с ГОСТ 17.4.3.03 84, ГОСТ 17.4.4.02-84, с методическими рекомендациями, указаниями ЦИ НАО, 1992 г., с применением масс-спектрометра и атомно-эмиссионного спектрометра Optima-4300 с индуктивно-связанной плазмой Elan-6100 в АСИЦ ВИМС.
Пробы растений приурочивались к стационарным пробоотбора почв. В золе растений (ЦИНАО, 1992), в природных, внутрипочвенных водах опре деляли ТМ по методическим указаниям (1975) и руководству (1977).
Оценка уровней загрязнения тяжелыми металлами проводилась на ос нове регионального геохимического фона по предложенной градации Ю.А.
Мажайским, В.Ф. Евтюхиным, отраженной в диссертации (табл. 2.4).
В комплексе исследований проводилась оценка техногенного привноса ТМ в агроландшафты зоны влияния выбросов Рязанской ГРЭС по методике, предложденной Н.Ф. Глазовским с соавт. (1983). На основе снегосъемки в исследованиях азотных загрязнителей атмосферы (совместно с С.А. Тобрато вым), в центральной зоне Рязанской области, в 53 точках отбирался снег на всю глубину снежного покрова. Расчет плотности атмосферного потока азота нитратного и аммонийного использовали линейную интерполяцию, приме няли более сложную квадратичную для решения промежуточных значений функций.
Для изучения агрохимических приемов детоксикации очень высокого загрязнения темно-серой тяжелосуглинистой почвы Pb, Сd проводили в веге тационных сосудах и в полевом мелкоделяночном опыте. Повторность ис следований 3-х кратная. Опыты проводились с однолетними травами (вико овсяная смесь). Почва загрязнялась Pb(СН3СОО)2 · 3Н2О · СdSO4 · 8Н2О (табл. 1, 2).
В качестве мелиорантов использовали высокую дозу навоза (100 т/га).
Известь, минеральные удобрения вносили оптимальными дозами (СаСО3 т/га = Нг · 1,5), минеральные – N40P40K40. Влагонасыщенные в вегетационном опыте моделировали: а) естественное увлажнение (средняя 13,7 мм в месяц);
Таблица 1. Схема закладки и проведения вегетационного опыта Варианты Сокращения Условия в таблицах 1 фактор 2 фактор Исходная почва Нет 1. Контроль ТМ – фон Нет 2. ТМ ТМ+Н а) естественное увлажнение 3.
ест.ув.
ТМ+Н ТМ + Навоз 100 т/га б) оптимальное орошение 4.
оптим.
ТМ+Н в) орошение 1,5 нормой 5.
1,5 норма ТМ+Н+Са а) естественное увлажнение 6.
ест.ув.
ТМ + Навоз 100 т/га + ТМ+Н+Са б) оптимальное орошение 7.
6 т/га СаСО3 оптим.
ТМ+Н+Са в) орошение 1,5 нормой 8.
1,5 норма Таблица 2. Схема закладки и проведения опыта. Культура – вико-овсяная смесь № Сокращения вари- Содержание вариантов в таблицах анта Контроль Исходная почва 1.
ТМ Фон – загрязнение Pb и Cd 2.
ТМ + Н Фон + навоз КРС 100 т/га под предшествующую культуру 3.
Фон + навоз КРС 100 т/га под предшествующую культуру, ТМ + Н + NPK + Ca 4.
минеральные удобрения N40P40K40 + СаСО3 – 6 т/га Фон + навоз КРС 100 т/га + известь из расчета СаСО3 – ТМ + Н + Са 5.
6 т/га ТМ + NPK Фон + оптимальная доза N40P40K 6.
б) оптимальное орошение (сумма в месяц 40–50 мм);
в) переувлажнение – 1, оросительные нормы (60–75 мм в месяц).
Цифровой материал обрабатывали методами дисперсионной и вариа ционной статистик, коэффициентов корреляции с помощью компьютерных программ Microsoft и Exsel. При определении достоверных различий между показателями в различных вариантах исследований по уровню значимости (НСР0,95) рассчитывали доверительные интервалы средних значений (+) и ко эффициентов корреляций.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Экологическое состояние агроландшафтов Рязанской области.
Атмотехногенный путь поступления металлов в ландшафты является главным источником загрязнения. Для того чтобы учесть возможную транс локацию загрязняющих веществ в природной среде, выявить связи между техногенными выбросами в биосферу и уровнем ее загрязнения, необходимо выявить количественные связи условий трансформации, миграции ТМ в ат мосферу.
По данным государственной статистики установлено, что 17 админист ративных районов региона имеют низкие и очень низкие нагрузки. Вокруг административных образований (гг. Рязань, Пронск, Касимов, Сасово и др.) формируются источники техногенных выбросов с очень высокой, высокой, повышенной и средней нагрузками (табл. 3).
Таблица 3. Классификация по выбросам вредных веществ стационарных тех ногенных источников региона (среднее за 2003–2005 гг.) Выброшено вредных Характеристика Административные Количество веществ в атмосферу, антропогенных образования (районы) источников тыс. тонн нагрузок г. Рязань + Рязанский 87 53, Очень высокая Пронский 10 36, Касимовский 28 6, Высокая Михайловский 13 11, Спасский 8 2, Повышенная Старожиловский 3 2, Сасовский 17 1, Средняя Скопинский 17 1, Шиловский 12 0, Ряжский 8 0, Шацкий 8 0, Кадомский Низкая 7 0, Клепиковский 7 0, Кораблинский 7 0, Сараевский 7 0, Исследования 2006 г. позволили уточнить, дополнить и подтвердить результаты исследований 1995 г. Из 62 опробованных элементов ограничи лись следующими: Zn, Cu,Cd, Pb, Mo, Mn, B, Co, Ni, V, Sn, а также As, Hg.
При этом для As, Hg за фоновый критерий приняты их кларки в земной коре.
Первые 11 элементов в почвах региона содержатся в разной степени превы шающих региональный геохимический фон.
Для выявления количественных показателей экологического состояния агроэкосистем нами проведен пробоотбор вблизи г. Рязани и в ключевых точках региона на основных типах почв. В результате установлено, что ста ционарные точки наблюдений, расположенные к юго-востоку от г. Рязани на расстоянии от 5 до 20 км, испытывают высокую техногенную нагрузку. Поч вы этой территории накопили Zn, V, Pb, Cd, As до уровней повышенной, средней и низкой загрязненности (табл. 4). При этом аллювиальные почвы ООО «Рязанская пойма» ближе всех расположены к г. Рязани и р. Ока. Кон центрация Zn в них достигает повышенного уровня загрязнения, а Cd и Pb – среднего, накопление As и Hg – выше мирового кларка. Другие элементы пе решли порог незагрязненной почвы и оцениваются как низкий уровень за грязнения. В почвах ЗАО «Московское», расположенных дальше ООО «Ря занская пойма», концентрация элементов в них несколько меньше. На первое место в комплексе загрязнителей выступает ванадий, который поступает в значительных количествах из выбросов местных котелен близлежащих посе лений. Накопление других поллютантов в почвенном покрове оцениваются как низкое и среднее загрязнения.
В Касимовском районе, где находятся в основном дерново подзолистые почвы, при исследовании почвенных проб прослеживается влияние выбросов Касимовского завода цветных металлов в загрязнении пе досферы Cu. Непосредственная близость завода к пашне СПК «Дружба» по влияла на накопление Cu до 80 мг/кг, а в двух других точках, ООО «Приго родное» и СПК «Борьба», 55–57 мг/кг (исследования 1995 г.). Средние пока затели в СПК «Дружба» 1995 г. – 60 мг/кг, а в 2006 – 55+12 мг/кг, что пре вышает региональный фон больше чем в 2 раза. В двух других хозяйствах, в которых содержание Cu в почвах находилось в пределах 39,9–40,8 мг/кг, произошло увеличение элемента, но менее чем в 1,5 раза. В дерново подзолистых оторфованных почвах ООО «Тюково» накопление Cd составля ло в среднем 0,48 мг/кг, что больше регионального фона в 2,7 раза. Все дру гие элементы имели превышение регионального фона в 1,2–2 раза. В среднем дерново-подзолистые почвы оцениваются как имеющие низкий уровень за грязнения.
В лесостепных и степных зонах области, характеризующихся наиболь шим распространением серых лесных и черноземных почв, среднее содержа ние Pb составляло соответственно 23,3+3,2 и 18,8+2,0 мг/кг, Cu – 50,6+5,9 и 44,9+6, Cd – 0,26+0,04 и 0,31+0,03, V – 156+39 и 165+23, Zn – 46,9+5 и 55,6+5,9 мг/кг и т.д. Эти средние показатели указывают на низкую степень загрязнения. Анализ результатов в индивидуальных точках позволили вы явить существенную техногенную эмиссию потока Pb и Cd. Так, в почвах СПК «Колос» содержание Pb составило 37+8 мг/кг, что оценивается как по вышенный уровень загрязнения. Отмечены индивидуальные точки с содер жанием его 50 мг/кг. В других точках Pb было значительно меньше и харак теризовалось средним уровнем загрязнения. Экотоксикант Cd в среднем в ле состепных и степных почвах накопился до низкого уровня. Более высокое аккумулирование произошло в почвах СПК «Альютово» (0,39+0,14 мг/кг) и ООО «Эверест – Захарово» (0,39+0,09 мг/кг), то есть средний уровень загряз нения. Элемент ванадий, который попадает в педосферу от угля, мазута, вы ходит на первые позиции приоритетных металлов. В Альютове 253+60 мг/кг, Рязанских садах – 250+43, Эвересте – 240+51 мг/кг, что по региональной гра дации – повышенный и средний уровни загрязнения. Cu, Zn, Mn, B, Co в Таблица 4. Интенсивность загрязнения разных агроэкосистем (2006 г.), мг/кг Рязанский район Дерново-подзолистые почвы Регион.
Элементы фон * Среднее Среднее 1 2 3 4 5 6 7 8 Zn 35 96,6 145 67,2 57,7 86,4+17 34,3 52,4 27,2 25,0 38,5 35,3+5, Cu 27 48 66 52,8 39 53,4+10 32,2 43,3 40,8 39,9 55,0 38,8+ Pb 12 27 37 21,8 21,5 30,3+5 17,1 23,6 9,8 11 16,9 16,2+2, Cd 0,18 0,51 0,62 0,28 0,28 0,43+0,09 0,18 0,48 0,14 0,123 0,093 0,21+0, As 5,0 6,5 6,1 2,91 3,88 4,73+0,84 1,09 6,2 1,73 2,43 1,47 2,4+0, Hg 0,07 0,097 0,097 0,087 0,052 0,080+0,008 0,044 0,019 0,047 0,06 0,065 0,047+0, Mo 0,7 1,3 1,5 0,77 1,69 1,31+0,40 0,86 1,13 0,94 1,11 0,93 0,96+0, Mn 400 717 855 562 628 700+95 728 738 487 335 516 587+ Co 9 14,8 14,0 7,7 8 11+1,9 6,4 12,5 5,6 6,8 6,5 7,2+1, Ni 20 39 30 20 23,2 26,6+4,4 23,3 32,2 13,3 15,3 15,1 18,4+2, V 83 341 47 175 84,9 133+47 60,8 100,2 91,5 95 160 80,2+13, Sn 2,6 5,5 6,5 4,6 3,1 5,0+0,9 2,7 3,4 2,8 3,5 4,0 2,92+0, Чернозем Серые лесные почвы Регион.
Элементы фон Среднее Среднее 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Zn 35 43,1 60,8 52,5 50,2 67,1 55,6+5,1 38,8 56,0 36,3 52,6 71,7 46,9+ Cu 27 55 38,9 79,5 48,8 20,5 44,9+6,0 32,9 36,4 41,9 58,4 88,5 50,6+5, Pb 12 15,4 28,3 15,5 19,4 15,5 18,8+2,0 18,9 28,6 14,9 29,3 37 23,2+3, Cd 0,18 0,27 0,32 0,38 0,29 0,29 0,31+0,03 0,28 0,28 0,18 0,39 0,23 0,26+0, As 5,0 4,0 4,79 3,43 4,35 4,0 4,1+0,3 3,69 3,8 1,26 3,3 3,8 3,07+0, Hg 0,07 0,051 0,056 0,056 0,054 0,054 0,054+0,006 0,033 0,046 0,065 0,046 0,055 0,050+0, Mo 0,7 0,79 1,08 0,97 1,84 0,69 1,14+0,27 0,74 0,81 0,70 0,96 0,86 0,84+0, Mn 400 415 594 659 595 804 621+98 716 675 711 790 805 737+ Co 9 10,5 12,7 13,5 15,6 11,3 12,8+1,3 10,8 11,3 9,0 15,6 9,9 11,3+1, Ni 20 27 35,3 31,7 26,5 31,7 31,3+2,9 30 29,8 18,6 28,6 25 25,8+2, V 83 153,7 132,6 240 148 161,7 165+23 250 82 76,6 253 100 156+ Sn 2,6 1,53 3,42 1,6 3,1 1,5 2,57+0,56 3,02 2,96 2,0 3,7 2,5 2,8+0, Примечание: под №№ 1 – ЗАО «Московское»;
2 – ООО «Рязанская пойма»;
3 – ЗАО «Заборье»;
4 – СУЗ Рязанский аграрный тех никум;
5 – СПК «Пролетарское»;
6 – ООО «Тюково»;
7 – ООО «Пригородное»;
8 – СПК «Борьба»;
9 – СПК Дружба»;
10 – СПК «Эра»;
11 – СПК «Мичуринский»;
12 – ООО «Эверест-Захарово»;
13 – СПК «Горняк»;
14 – ООО «Ладога»;
15 – ООО «Рязанские сады»;
16 – ТОО «Сапожковское»;
17 – СПК «Заря»;
18 – СПК «Альютово»;
19 – СПК «Колос»;
*As, Hg – общемировой кларк.
среднем превысили региональный геохимический фон. На фоне низкого за грязнения выделяются почвы СПК «Колос», в которых концентрируются Cu (88,5+7 мг/кг), Zn (71,7+26 мг/кг), Mn (805+112 мг/кг);
СПК «Альютово» – Cu (58,4+13 мг/кг), Mn (790+99 мг/кг);
ООО «Эверест» – Cu (79,5+4,2 мг/кг);
СПК «Горняк» – Mo (1,84+0,43 мг/кг);
ООО «Ладога» – Mn (804+168 мг/кг);
СПК «Эра» – Cu (55,0+10 мг/кг). Такая концентрация расценивается как среднее загрязнение и требует особого экологического внимания.
Итак, ассоциация металлов в почвенном покрове региона создается под влиянием трансграничного переноса и местных источников. Это аэрозоли Ря занской ГРЭС, промышленных предприятий, пылевые воздействия пустых шахтных пород, выбросы Скопинского и Касимовского заводов цветных ме таллов и др. источники.
Рязанская ГРЭС является крупнейшим предприятием по объему вы бросов в атмосферу. Исследования вклада ТМ в атмосферные выпадения проводились на основе снегосъемок 1999–2003 гг. Их средние показатели представлены в виде кривых распределения массы атмосферных выпадений Cu, Zn, Pb, Cd на рис. 1.
Для атмосферного поступления Pb и Cd характерно два максимума.
Первый соответствует в интервале значений 3300–4125 и 330–385 г/км2, вто рой 4950–5775 и 495–550 г/км2 соответственно. Фактически данные интерва лы свидетельствуют о том, что рассматриваемые выборки состоят из двух различных групп проб, для каждой характерны особые условия атмосферных выпадений этих элементов. Круг точек опробования, относящихся ко второ му максимуму для Pb и Cd практически идентичен и включает пробы, распо ложенные в ближнем радиусе воздействия РГРЭС и к северу-востоку и вос току от станции. Отличия между ними сводятся к тому, что техногенный свинец более интенсивно осаждается из атмосферы по направлению преоб ладающих ветров и менее интенсивно – лесных массивов. Зона аномальных выпадений Cd тяготеет к юго-восточному сектору зоны воздействия.
Pb Cd Cu Zn 9 к о л -в о п р о б, ш т кол-во проб, шт кол-во проб, шт кол-во проб, шт 6 5 0 5 0 5 - - - 0 0 - - - - - - - - - - Р, г/кв.км *год Р, г/кв.км*год Р, г/кв.км*год Р, г/кв.км*год Рис. 1. Кривые распределения величин атмосферных выпадений ТМ (Р) в зоне воздействия РГРЭС (по данным снегосъемок) Атмосферные выпадения ТМ делятся на нерастворимые и раствори мые (табл. 5). Изучение их количеств отличает неравномерность выпадения элементов. Данная изменчивость, вероятно, связана с происходящими по го дам естественными условиями, а также с элементным составом энергоресур сов ТЭС. Объем выпадений убывает в ряду Zn Pb Cu Cd.
Таблица 5. Атмосферные выпадения тяжелых металлов в зоне воздействия Рязанской ГРЭС в среднем за 1999–2003 гг., г/км2 в год Нерастворимые Растворимые Сумма Эле- среднее ко- коэффици- среднее ко- коэффици- среднее ко- коэффици мен- личество енты пре- личество енты пре- личество енты пре ты выпадения, образован- выпадения, образован- выпадения, образован г/км2 в год г/км2 в год г/км2 в год ности ности ности Cu 931,8 25 770,4 15 1702,2 Zn 4736,2 22 5047,3 22 9783,5 Pb 2111,2 29 2990,4 20 5101,6 Cd 292,8 32 266,3 38 499,1 Было установлено, что максимальной миграционной способностью в атмосфере обладают свинец и кадмий, что связано с более интенсивной их возгонкой (переходом в паро-газовую фазу аэрозоля) при сжигании топлива.
В зоне воздействия РГРЭС отмечается высокий уровень концентрации Pb и Cd, близкие к фоновым Cu и Zn, в осадках. Высокая интенсивность атмо сферной миграции ЗВ является экологически неблагоприятным фактором, которая подтверждается коэффициентами антропогенной преобразованности атмосферных выпадений ТМ (табл. 5), которые характеризуют вероятность попадания различных секторов зоны воздействия РГРЭС в область техноген ного максимума выпадений того или иного металла.
Расчет данных коэффициентов базируется на выявлении техногенных аномалий атмосферной поставки ТМ путем анализа кривых распределения.
Они показывают сколько раз за период исследований каждая из стационар ных точек опробования снежного покрова попадала в зону аномального по вышения выпадений ЗВ;
показатели суммируются.
При равных условиях атмосферного рассеяния Cd выделяется наи большими коэффициентами преобразованности. Атмотехногенный поток другого активного мигранта – Pb (особенно нерастворимых форм) локализо ван преимущественно в зоне основного переноса ЗВ от ГРЭС. Миграционная способность Zn достаточно велика, поэтому охват территории аномальными зонами значителен.
Одной из важнейших сред трансформации атмотехногенных ТМ явля ется почвенный покров. Почвенно-геохимическая характеристика изучаемых агроландшафтов несколько отличается от показателей регионального фона (табл. 6). Zn и Сd в почвах зоны содержатся больше, а Cu и Pb – меньше.
Следует отметить, что в среднем существенного загрязнения почв сельхозу годий в зоне воздействия ТЭС не произошло.
Однако имеет место техногенного влияния (в первую очередь в отно шении Cd, Pb и Zn), проявляющееся, в частности, в наличии точек в обследо вании, где отмечена аккумуляция этих металлов в 1,5–2 раза выше геохими ческого фона.
Таблица 6. Результаты исследований содержания Zn, Cu, Pb, Cd в агроланд шафте РГРЭС, мг/кг Регио- Содержание нальный Эле- подвижные (ацетатно фон валовое мент аммонийный буфер рН 4,8) кларк миним. максим. среднее миним. максим. среднее Zn 33,1 76,7 44,4+3,5 0,37 4,98 1,17+0, Cu 9,2 15,6 12,9+1,5 0,11 0,51 0,20+0, Pb 6,3 17,4 10,9+1,1 0,13 2,48 0,76+0, 1, Cd 0,22 0,40 0,33+0,03 0,04 0,21 0,083+0, 1, Приоритетный ряд Cd Zn Pb Cu Она четко коррелируют с атмосферными выпадениями нерастворимых форм ТМ и локализуются в районе промплощадок ГРЭС, на Среднерусской воз вышенности и по направлению господствующих ветров к северо-востоку от станции. В то же время, степень подвижности Cd в ряде случаев достигает 63,4%, Pb – 22,8%, тогда как для Cu и Zn этот показатель составил 1,2% и 11,2% соответственно. Данный факт приводит к росту их миграции в под земные и поверхностные воды.
Фитогеохимические исследования показали, что элементный состав фитомассы изученных ландшафтов формируется в соответствии с биологи ческими особенностями растений: их принадлежностью к определенным сис тематическим группам и жизненным формам. При этом соблюдаются извест ные биогеохимические закономерности в накоплении металлов злаками: по вышение содержания токсикантов (Pb и Cd) в вегетативных, а биофилов (Cu и Zn) – в запасающих органах (табл. 7). Основным источником формирова ния элементного состава растений считается запас подвижных форм ТМ в почве. Однако регрессионный анализ не выявил зависимости концентраций ТМ в фитомассе от запасов их подвижных форм в почвах, что может являть ся признаком их фолиарного поглощения.
В ходе гидрогеохимических исследований установлено, что 84–91% валового количества ТМ мигрирует в растворенной форме (табл. 8). Приме чательно высокое содержание растворенного Pb, который обычно подверга ется седиментации, и его концентрации свыше 10 мкг/л отмечаются в основ ном в загрязненных водах, в бассейнах которых преобладают черноземы.
При этом концентрация Cd также высокая и в большинстве проб превышает ПДК (1 мкг/л). Это может быть обусловлено прямым поступлением в водо токи обогащенной металлами атмотехногенной пыли. Содержание Cu и Zn зачастую ниже фонового уровня. Как свидетельствуют результаты балансо вых расчетов (табл. 9), рассматриваемые элементы по преобладающим фак Таблица 7. Влияние техногенной обстановки в зоне воздействия РГРЭС на накопления тяжелых металлов в растениях Элементы Культуры Cu Zn Pb Cd 2,70–5,77 22,9–44,6 0,32–0,52 0,014–0, Пшеница озимая (зерно) 3,54+0,88 33,9+6,9 0,42+0,05 0,022+0, 0,81–1,67 4,27–11,40 0,73–1,26 0,031–0, Пшеница озимая (солома) 1,07+0,32 7,83+2,09 0,84+0,30 0,039+0, 2,42–3,09 16,5–18,2 0,80–0,95 0,028–0, Яровые зерновые (сено) 2,64+0,54 17,3+1,4 0,87+0,10 0,039+0, 2,27–7,83 13,4–63,5 0,78–1,69 0,051–0, Луговое разнотравье 4,92+1,51 27,5+1,21 1,24+0,22 0,077+0, 5,52–11,60 33,9–71,2 1,06–1,75 0,108–0, Лесное разнотравье 8,08+3,2 46,6+17,9 1,55+0,35 0,186+0, 5,39–9,38 27,8–109,6 1,67–6,13 0,112–0, Лесная подстилка 8,28+2,02 44,6+50,6 3,33+2,16 0,196+0, ПДК в продовольственном зерне 10 50 0,5 0, МДУ в кормах для животных 30 50 5,0 0, Примечание: над чертой минимальные и максимальные значения;
под чертой – средний и доверительный показатели.
Таблица 8. Показатели водной миграции тяжелых металлов в ландшафтах зоны воздействия РГРЭС Показатель, Cu Zn Pb Cd единица измерения Концентрация растворенных форм, 0,9–7,9 0,6–60 1,4–19 0,1–2, мкг/л 2,8 7,8 10,3 0, Концентрация взвешенной формы, 11 16 14 % от валовой Концентрация во взвеси поверхностных 0,7–74 5,5–193 23–590 0,9– вод (частицы крупнее 10 мкм), мг/кг 21,5 59,7 162,9 13, Концентрация во взвеси поверхностных 1,5–74 1,6–240 10–303 0,9–7, вод (частицы мельче 10 мкм), мг/кг 26,9 89,1 82,5 1, Коэффициент водной миграции 0,45 0,39 2,14 6, (Кх, по Перельману) Примечание: над чертой – минимальные и максимальные значения, под чертой – средние.
торам миграции могут быть подразделены на две группы. Биогенная мигра ция, гдепреобладает Cu и Zn вследствие их концентрирования в продукции растениеводства и органических удобрениях. В связи с чем, роль таких ста тей баланса, как выщелачивание и атмосферные выпадения, относительно снижена. В то же время, атмотехногенный привнос составляет 90–77% по ступления в ландшафты Pb и Cd, а основной расход – потери (82–95%) их водная миграция. Итак, характер трансформации ТМ в агроландшафтах зоны обследования определяется в основном степенью их биофильности. В связи с чем, конечным звеном аккумуляции и приоритетных ЗВ выступают поверх ностные и грунтовые воды.
Таблица 9. Баланс тяжелых металлов в агроландшафтах зоны воздействия Рязанской ГРЭС (северо-восточный сектор) Статьи баланса Cu Zn Pb Cd ВСЕГО, г/км в год 3082 11585 4747 Поступление Атмосферные выпадения 39% 62% 90% 77% Минеральные удобрения 1,5% 1% 1,5% 7% Органические удобрения 54% 34% 6,3% 15% Известь 4% 1% 2,2% 1% Семена 2% 2% 0,6% 0,1% ВСЕГО, г/км2 в год 799 4839 1070 109, Расход Вынос с урожаем 58% 70% 14% 3,8% Водная миграция 31% 25% 82% 95% Технол. эрозия 11% 5% 4% 1,2% Баланс, г/км2 в год +2283 +6746 +3677 + Интенсивность накопления в 10 см слое 74% 58% 77% 81% пахотных почв Вторым этапом в обследовании техногенной ситуации в рязанском ре гионе стало исследование азотных загрязнителей атмосферы на основе сне госъемки 2007 г. совместно с С.А. Тобратовым.
Зимние осадки вымывают из атмосферного потока ЗВ азотные соеди нения. И на какое-то время их депонируют. Поэтому исследование интенсив ности загрязнения природной среды оксидами азота и аммонием проводили с помощью метода снегосъемки.
Данные снегосъемки являются более представительными для исследо ваний техногенной составляющей атмосферных поступлений ЗВ в ландшаф ты. Точки отбора проб приурочены к определенным экосистемам. Диффе ренциация атмосферных выпадений азота (табл. 10) показала, что в отрица тельных элементах рельефа (поймах и западинах) – уровень выпадений N NO3 в 1,4 раза выше среднего по району исследования, но все же, в 1,5 раза ниже, чем под пологом хвойных. Минимальный уровень этих выпадений в 1,4–1,9 раза меньше среднего, характерен для агроландшафтов ближнего ра диуса воздействия промышленного предприятия. Дифференциация выпаде ния нитратов в целом сходна с таковой аммония. В частности их минималь ный уровень выпадения характерен для промышленных зон. Однако для нит ратов максимальное значение выпадения отмечается не в хвойных лесах как для N–NH4, а в поймах и западинах.
Тривиальная взаимосвязь выпадения от расстояния до предприятия (чем больше удаленность, тем ниже атмосферная поставка загрязнителя) во обще не зафиксирована. По-видимому, это исключение, нежели правило. Ло гично предположить, что реакция экосистем на атмосферный поток азота бу дет еще более дифференцирована в соответствии с их природными свойст вами. Оценку интенсивности загрязнения азотными соединениями экоси стем, их геохимическую устойчивость, мы попытались выполнить на основе методологии критических нагрузок.
Таблица 10. Дифференциация атмосферных выпадений соединений азота по типам природных и антропогенных экосистем (результаты дисперсионного анализа), кг/км2 в год N–NH4 N–NO Экосистемы X V, % X V, % Сельскохозяйственные поля 191 80 2043 Лиственные леса 250 47 1662 Хвойные леса 553 44 3787 Поймы рек и западины 367 57 4438 Территории, прилегающие 142 58 1559 к промышленным предприятиям Среднее района исследований 270+64 1963+ rw 0,356 0, 0,001 0, Основным фактором, определяющим величины интенсивности N нагрузок на природные экосистемы, является биопродукционный процесс (табл. 11). Поэтому после расчетов интенсивности выпадения атмосферного азота на экосистемы сделана попытка определить зависимость ее от типа рас тительных сообществ.
Минимальные величины характерны для торфянистых почв (8,1 кг/га в год) и соответствующих им растительных сообществ;
максимальные величи ны – для серых лесных почв (56,7 кг/га в год). К минимальным величинам достаточно близки показатели интенсивности азотных нагрузок сообществ сосновых лесов (11,5 кг/га в год) на дерново-подзолистых почвах, влажных елово-широколиственных лесов на пойменных почвах и заболоченных со сновых лесов на болотно-торфянистых почвах, ложбин и лощин Мещерской низменности (лишь в 2,1 раза больше минимальных значений). Промежуточ ное положение азотных величин в 3 раза выше минимальных и 2,5 выше максимальных значений – занимают сообщества ясеневых дубрав (20,7 кг/га в год) на темно-серых лесных почвах, липовые леса (42,8 кг/га в год), влаж ные дубравы (24,9 кг/га в год), а также экосистемы верховых сфагновых об лесенных болот Мещеры.
Значительно более устойчивыми к атмосферным выпадениям азота (ниже в 1,5 раза их максимальных значений) являются экосистемы липовых на светло-серых лесных почвах (42,8 кг/га в год) и елово-мелколиственных лесов (45,6 кг/га в год) на глеево-подзолистых почвах. Однако максимум дос тигается в центре изучаемой территории, развивающийся в пределах ареала серых лесных почв (56,7 кг/га в год).
На основании исследований плотности атмосферного потока азотных соединений была разработана карта-схема (рис. 2). Для получения предвари тельной оценки интенсивности азотных нагрузок на экосистемы центра Ря занской области использовали линейную интерполяцию. Для решения про межуточных значений функций использовали более сложную квадратичную интерполяцию.
Таблица 11. Зависимость накопления азота в фитомассе от интенсивности атмосферных его выпадений (составлено по среднезональным оценкам) Интен- Среднее Средний Аккуму сивность накопле Типы растительных возврат с ляция в Типы почв нагрузок ние в сообществ опадом, биомассе, приросте, CLnut (N), кг/га кг/га кг/га*год кг/га Выщелоченные Дубрава осково 24,9 83 61 черноземы снытьевая Дерново Сосняк-брусничник 11,5 27 16 подзолистые Южные Дубрава влажная 21,9 67 47 пойменные Темно-серые Дубрава ясеневая 20,7 91 72 лесные снытьево-осоковая Светло-серые Липняк осоково 42,8 105 66 лесные снытьевый Осинник осоково снытьевый, дубрава ос Серые лесные 56,7 127 72 ково-снытьевая, липняк осоково-снытьевый Болотно- Сосново-сфагновое бо 17,0 40 25 торфянистые лото Ельник травяно-зелено Торфянистые мошный, 8,1 53 46 березняк Ельник осиново Глеево березовый, березняк 45,6 125 80 подзолистые травный Северные Еловая суборь влажная, 15,3 60 46 пойменные судубрава влажная Сосновое искусствен Песчаные 23,4 139 116 ное насаждение Для этого на схему центра Рязанской области нанесли сетку в квадратов. Расчет интенсивности N-нагрузок на экосистемы проводили по результатам аналитических исследований при снегосъемке. На рис. 2 отра жены результаты предварительной оценки нагрузок общего азота, а в прило жениях 7, 8 (диссертации) представлены плотности атмосферного потока N NO3 и N-NH4.
Представленная карто-схема (рис. 2) отражает интенсивность атмо сферного азота по типам экосистем Рязанского региона. На ней, для оценки интенсивности атмосферных азотных выпадений, представлена группировка, которая характеризует загрязняющий эффект по восьми уровням. На карто схеме хорошо заметна приуроченность минимальных значений азотных на грузок к песчаным почвам Мещеры и Раново-Пронского зандра;
к югу и юго западу области присуще значение их близкое к среднему для региона, аналогичные значения харак терны для территорий в юго восточной Мещере, а так же в северной Мещере по пери ферии верховых болот.
Максимальные значе ния данного показателя группируются в центре ис следуемой территории и час тично на северо-западе, включая территорию г. Ряза ни и ближайших окрестно стей. Данную территорию можно назвать «зональной почвенно-растительной осью региона», которая, по наше му предположению, обладает наибольшей устойчивостью к возможному химическому загрязнению (по крайней ме ре, к поступлению биоген ных элементов). В настоящее время нигде не наблюдается превышений суммарного ат мосферного привноса азота над возможностями природ Рис. 2. Результаты оценки интенсивности ных экосистем трансформи N-нагрузок на экосистемы ровать его без неблагоприят Рязанской области ных последствий.
Однако экосистемы, сообщества зональных сосняков на автоморфных дерново-подзолистых почвах, заболоченные западины, поймы в дальнем ра диусе воздействия крупнейших промышленных источников азота – г. Рязани и Рязанской ГРЭС, находятся в зоне риска.
Результаты экспериментальных исследований способов декомпенсации экосистем за счет агротехнических мероприятий в условиях высокого уровня загрязнения почв Экспериментальные исследования по детоксикации загрязненных ТМ темно-серой лесной тяжелосуглинистой почвы проводили в условиях вегета ционного опыта. Вегетационные сосуды выполнены из химически инертного материала (полиэтилена) с приспособлениями для сбора просочившейся че рез почву воды. Темно-серая лесная почва характеризовалась слабокислой реакцией почвенного раствора (рН 5,4), гидролитическая кислотность – 4 мг экв./100 г, повышенное содержание подвижного фосфора 14 мг/100 Р2О5, среднее обменного калия – 9 мг/100 К2О, содержание гумуса – 5,46%.
Таблица 12. Продуктивность вико-овсяной смеси на загрязненной тяжелыми металлами почве под влиянием комплексной мелиорации Биометрические показатели Урожайность сухой массы вики и овса, г/сосуд Варианты средняя длина среднее количество растений, см зерен в метелке средний изменения + 1. Контроль – 56 4,5 11,5 +7, 2. ТМ – фон – – 39 4,1 -7, ТМ + Н 3. 39 3,3 10,0 -1,5 +5, ест. увл.
ТМ + Н 4. 38 4,7 14,4 +2,9 +10, опт. увл.
ТМ + Н 5. 40 1,8 5,1 -6,4 +1, 1,5 нормы ТМ + Н + Ca 6. 45 3,0 5,4 -6,1 +1, ест. увл ТМ + Н + Ca 7. 48 1,8 8,6 - 2,9 +4, опт. увл.
ТМ + Н + Са 8. 38 0,7 5,4 -6,1 +1, 1,5 нормы – – HCP0,95 4 0,5 1, Наиболее существенной интегральной характеристикой устойчивости и экологического состояния любого ландшафта является биопродуктивность.
На фоне очень высокого загрязнения почвы Pb и Cd отмечен минимальный урожай сена вико-овсяной смеси (4,1 г/сосуд). На контроле, в отсутствии за грязнения ТМ, урожайность возрастала почти втрое и достигала 11,5 г/сосуд (табл. 12). Однако это не является максимальным значением: наибольший урожай (14,4 г/сосуд) вико-овсяной смеси получен в варианте ТМ + Н + опт.
увл. в условиях последействия органического удобрения и оптимального водного режима почвы. Следовательно, наивысшая продуктивность вико овсяной смеси явилась следствием эффективности агромелиоративных прие мов, что позволило получить высокий урожай и на загрязненной ТМ почве.
Необходимо подчеркнуть, что урожай в варианте ТМ + навоз, с моделирова нием условия естественного атмосферного увлажнения, был на 13% ниже и уступал контролю. Оптимальное орошение увеличило прибавку до 10, г/сосуд.
В то же время орошение, где применялась известь, дает несопоставимо меньший эффект: урожай оказывается почти вдвое ниже, чем в вариантах без извести. Очевидно, что рост подвижности ТМ под влиянием взаимодействия метаболитов внесенной органики с известью угнетает растения. Это является еще одним доказательством вероятной доступности органо-минеральных комплексов ТМ для биопоглощения. В условиях переувлажнения, урожай ность была близка ко 2-ому варианту, минимальной. При переувлажнении высокие почвенные концентрации ТМ значительно усиливали угнетение рас тений, результатом чего являлось замедление обменных процессов, что в ря де случаев снижало и биопоглощение самих токсикантов. Наиболее значи тельное (до 6,1–6,4 г/сосуд) снижение урожайности однолетних трав, вы званное застойно-промывным режимом, что в значительной мере связано с параллельным ростом концентрации Pb в почвенных водах.
Как было показано выше, урожайность вико-овсяной смеси, в 1-м бло ке вариантов с навозом заметно зависела от условий увлажнения. Однако проведенный нами дисперсионный анализ (табл. 13) показал, что с добавле нием извести фактор орошения становится даже более важным. Об этом сви детельствуют величины внутриклассовых коэффициентов корреляции, опре деляющих значимость влияния исследуемого фактора на результативный признак: урожайность определяется орошением соответственно на 33 и 43%, причем во 2-м блоке вариантов возрастает и уровень доверительной вероят ности связи.
Таблица 13. Результаты дисперсионного анализа урожайности культуры 2, X, Вариант rw г/сосуд г/сосуд естественное увлажнение 10,0 23, оптимальное увлажнение 14,4 2, ТМ + Н 0,023 0, переувлажнение 5,1 0, естественное увлажнение 5,4 0, ТМ+Н+CaCO3 оптимальное увлажнение 8,6 3, 0,013 0, переувлажнение 5,4 0, Примечание: Х – среднее, 2 – дисперсия, – уровень значимости, rw – внутриклас совый коэффициент корреляции В настоящее время очевиден факт, что все непредвиденные отрица тельные последствия антропогенной деятельности человека существенно влияют на биохимический режим окружающей природной среды. Поэтому земледелие должно быть направлено на сокращение выхода химических ве ществ из биологического круговорота. При этом необходимо подчеркнуть, что в естественных условиях в летний период грунтовые воды переходят на автономный режим. Суммарное испарение обусловлено, главным образом, транспирацией, то есть имеется прямая связь с водопотреблением. Поэтому в вариантах (1, 2, 3, 6), где не применялось орошение, не наблюдался внутри почвенный сток.
На фоне достаточно высокой вариабельности по повторностям, объем дренажного стока однозначно возрастает от вариантов оптимального ороше ния к вариантам с 1,5 нормой увлажнения (табл. 14), что является следствием переувлажнения, когда орошение преобладает над суммарным водопотреб лением, и в почве формируется промывной режим. Характерно, что санация загрязнения с добавлением извести количество просочившейся воды было на 20–35%меньше, чем при применении только навоза. По-видимому, это обу словлено, что на фоне повышения гумусированности (от навоза), изменяется состав поглощенных оснований (за счет Ca), происходит улучшение всего комплекса физических и физико-механических свойств, что приводит к росту водоудерживающей способности почв.
Таблица 14. Влияние орошения на миграцию тяжелых металлов с внутрипоч венным стоком Pb Cd Cu Zn Сред.
объем Вынос Вынос Вынос Вынос Варианты почв. Сред. за вр. Сред. за вр. Сред. за вр. Сред. за вр.
вод, конц. иссл., конц. иссл., конц. иссл., конц. иссл., мл мкг/л мкг/ мкг/л мкг/ мкг/л мкг/ мкг/л мкг/ сосуд сосуд сосуд сосуд опт.
1470 5,7 8,38 0,90 1,32 5,7 8,38 69,6 102, орош.
ТМ+Н 1, 2070 5,8 12,06 0,97 2,01 6,4 12,25 40,3 83, норма опт.
1160 5,3 6,11 1,23 1,47 14,6 16,94 54,3 63, орош.
ТМ+Н+Ca 1, 1380 5,7 7,87 1,00 1,38 6,6 9,11 39,5 54, норма Концентрация просачившихся через почвенную толщу Cd, Cu, Zn из менялась под влиянием мелиорантов (табл. 14), а Pb практически оставалось неизменной. Но, тем не менее, на фоне навоза под влиянием переувлажнения почвы усиливалось вымывание Cd, Pb, Cu и увеличивался вынос их за преде лы корнеобитаемого слоя. Используя известь, процесс вымывания Cd и Cu снизился. Поведение Zn в переувлажненной почве зависело от объема лизи метрических вод, то есть наблюдался эффект разбавления.
Следует подчеркнуть, что Zn и Cd являются химическими аналогами.
Этим, на наш взгляд, объясняются некоторые черты сходства их гидрохимии в условиях эксперимента. В тоже время Cu и Pb, несмотря на различие в сте пени биофильности, по типу взаимодействия с гумусовыми кислотами близ ки друг к другу. Причем известно, что высокомолекулярные водораствори мые органические вещества (ВОВ) наиболее стабильны в растворе в щелоч ных условиях. В этой связи примечателен рост миграционной способности меди при применении извести и навоза (несмотря на то, что загрязнение почвы медью не моделировалось).
Транслокация ТМ в фитомассу характеризуют данные табл. 15. Cu и Pb, Zn и Cd – ведут себя сходно. Обращает на себя внимание высокий уро вень содержания Cd – на порядок выше, чем в полевых условиях, и в не сколько раз выше ПДК.
Концентрация Pb на контроле оказалась весьма близкой к величине в естественных условиях, тогда как во всех иных вариантах опыта она была в 3–6 раз выше. Особенно высоким оказалось накопление Pb в фитомассе ва рианта фон, а также – применение навоза в условиях переувлажнения.
Таблица 15. Содержание тяжелых металлов в фитомассе вико-овсяной смеси (мг/кг воздушно-сухой фитомассы) Варианты Cu Zn Pb Cd 1. Контроль 3,00 31,2 2,15 0, 2. ТМ 8,89 45,6 11,23 1, 3. ТМ + Н + ест. увл. 2,93 25,2 10,78 1, 4. ТМ + Н + оптим. увл. 2,73 23,3 8,40 1, 5. ТМ + Н + 1,5 норма увл. 5,44 26,1 12,33 1, 6. ТМ + Н + Ca + ест. увл. 3,96 17,7 8,33 1, 7. ТМ + Н + Ca + опт. увл. 3,81 20,5 8,15 0, ТМ + Н + Ca + 1,5 норма 8. 3,89 17,7 6,67 1, увл.
HCP0,95 1,01 2,5 1,52 0, ПДК 30 50 5 0, Зона воздействия РГРЭС 4,5 22,9 2,20 0, Для оценки режима увлажнения на транслокацию ТМ был проведен дисперсионный анализ, результаты которого содержатся в табл. 16. Показа но, что для Pb и Cd в варианте влияния водного режима почвы на их концен трацию в растениях не значимо при р = 0,95 и даже при р = 0,90 (вследствие высокой внутригрупповой дисперсии, особенно в варианте ТМ + Н с ороше нием);
причем фактор увлажнения определяет накопление Pb растительно стью лишь на 20%, а более подвижного Cd – на 5%. Для варианта ТМ + Н + Ca рассчитаны существенно иные зависимости: роль фактора увлажнения увеличивается для Pb до 83%, для Cd несколько менее – до 44%;
внутригруп повая дисперсия в варианте ТМ + Н + Ca при оптимальном орошении была уже, наоборот, невысокой.
Таблица 16. Результаты дисперсионного анализа накопления тяжелых метал лов вико-овсяной смесью Свинец Кадмий Варианты Х Х 2 rw rw естественное 10,8 2,98 1,86 0, увлажнение оптимальное ТМ + Н 0,25 0,2 0,37 0, 8,4 12,2 1,60 0, увлажнение 1,5 норма 12,3 5,2 1,54 0, естественное 8,3 0,88 1,97 0, увлажнение оптимальное ТМ + Н + Ca 0,004 0,83 0,10 0, 8,15 0,77 0,84 0, увлажнение 1,5 норма 6,67 1,97 1,15 0, Примечание: Х – среднее, – дисперсия, – уровень значимости, rw – внутриклас совый коэффициент корреляции.
Эколого-экономическая эффективность оптимизации агроландшафта агрохимическими приемами в условиях техногенного загрязнения почвы К техническим и технологическим решениям природоохранного назна чения относятся такие, которые соответствуют основным требованиям: име ют положительную природоохранную основу;
достаточно просты в конст руктивном и технологическом исполнении;
экономичны. Кроме того многие мероприятия, направленные на повышение плодородия почв, одновременно способствуют и их реабилитации в условиях высокого содержания в них ТМ.
Наиболее интенсивным показателем эффективности детоксикации яв ляется урожайность сельскохозяйственных культур и ее качество, то есть со держание токсикантов.
Таблица 17. Результаты исследований агромелиорирующих приемов в усло виях химического загрязнения темно-серой тяжелосуглинистой почвы Урожай вико-овсяной смеси, Содержание сухих веществ, ц/га в растениях, мг/кг Варианты Изменения Pb Cd Средний ц/га % Контроль 1. 85,2 +18,2 21 1,43 0, ТМ – фон – – 2. 67,0 54,7 1, ТМ+Н 3. 77,9 +10,9 16 2,36 0, ТМ+Н+NPK+Ca 4. 93,1 +26,1 40 14,8 0, ТМ+Н+Са 5. 72,3 +5,3 8 3,7 0, ТМ+NPK 6. 95,3 +28,3 42 30,6 0, НСР0,95 – – МДУ:5, 7,7 0, Темно-серая лесная почва, без использования мелиорантов, сформиро вала сравнительно высокий урожай сена – 85,2 ц/га. Высокое загрязнение почвы Pb, Cd создало токсичный эффект резко снизив урожай на 18,2 ц/га (21%). При этом качество сена не отвечало требованиям максимально допус тимого уровня (МДУ). Агротехнологические средства дали существенные прибавки. Урожайность вико-овсяной смеси увеличивалась в ряду от приме нения NPK H + NPK + Ca H H + Ca. Однако экологическое качество было лучшим от применения навоза, где уровень загрязнения Pb, Cd (2,36 и 0,13 мг/кг) было ниже МДУ(табл. 17).
В основе оценки эффективности применения агрохимических средств детоксикации техногенно загрязненных почв положены принципы не только сопоставимости сальдо денежного потока, но и получения экологически безопасной продукции.
Считаем, в создавшихся условиях лучшая эколого-экономическая эф фективность получена от использования навоза, где получен доход с одного гектара 2506 руб., а с учетом коэффициента дисконтирования (0,79) сальдо приростного потока составило 1980 руб. При этом на один рубль затрат по лучено 1,28 руб. прибыли.
Таблица 18. Расчет экономической эффективности приемов по детоксикации темно-серой лесной загрязненной почвы Варианты Показатели ТМ + Н + ТМ ТМ + Н ТМ + NPK + NPK + Ca Притоки, руб/га 1070 11708 13933 Стоимость растениеводческой 1070 11708 13933 продукции Оттоки, в т.ч.: 16678 9202 11841 Заработанная плата 5941 702 840 Внесение удобрений – 3000 5058 Семена 1235 1235 1235 ГСМ 3927 1278 1539 Амортизация 1600 1630 1630 Транспортные расходы 3525 937 1119 Прочие 80 80 80 Общехозяйственные расходы 340 340 340 Сальдо денежного потока -6608 2506 2152 Коэффициент дисконтирования 0,79 0,79 0,79 0, Дисконтированное сальдо -5220 1980 1700 приростного потока ВЫВОДЫ 1. Основными источниками антропогенного загрязнения агроланд шафта Рязанской области являются предприятия промышленности и тепло энергетики г.г. Рязани и Пронска. Их выбросы в атмосферу достигают 53,3– 36,3 тыс. т/год. В категорию высоких загрязнителей входят предприятия Ка симовского и Михайловского районов, выбрасывающие 6,4–11,0 тыс. т за грязняющих веществ.
2. Накопление токсичных элементов в пахотном слое зависит от осо бенностей почвообразования. Черноземы выщелоченные и оподзоленные изучаемого региона по сравнению с общемировыми аккумулируют в корне обитаемых слоях больше Pb, Cu, B, меньше – Zn, Cd, Mn, Mo;
серые лесные – больше Pb, Zn, Cu, Mn, B, Co, меньше – Cd, V, Ni, Mo. От разнообразия почвообразовательных процессов зависит геохимическая обстановка и фор мы возникающих химических загрязнений. Серые лесные и черноземные почвы региона характеризуются в основном низкой загрязненностью, но в них отмечены локальные участки аномально повышенного содержания Pb, Cd, что связано с близостью промышленных комплексов.
3. Для исследований интенсивности загрязнения атмосферных осад ков оксидами азота, аммония была использована методика оценки критиче ских нагрузок, базирующаяся на экосистемном подходе и позволяющая мак симально подробно учесть природную неоднородность геохимической ус тойчивости. Установлено, что средний уровень атмосферных выпадений нитратного азота в регионе составляет 1962,7+399 кг/км2 в год, а аммонийно го 270,3+64 кг/км2 в год. Однако отмечено, что экосистемы, расположенные на дерново-подзолистых песчаных почвах, заболоченные западины, поймы рек находятся в зоне риска.
4. Атмотехногенный поток Pb, Cd свидетельствует об активных их процессах трансформации. Элементный состав растений формируется в со ответствии с их биологическими особенностями, повышении концентрации токсикантов в вегетативных, а микроэлементов – генеративных органах.
Водная миграция тяжелых металлов преобладает в растворенной форме (84– 91%). Однако высокая концентрация отмечается в поверхностных водах, что может быть обусловлено прямым поступлением в водотоки обогащенной ме таллами атмотехногенной пыли.
5. Балансовый анализ тяжелых металлов в зоне техногенных воздей ствий указывает на их положительный баланс. Интенсивность накопления в верхнем слое пахотных почв составляет: Cd – 81%, Pb – 77%, Cu – 74%, Zn – 58% от всего поступления.
6. Выявлено, что наиболее оптимальным способом снижения поступ ления тяжелых металлов в растения является внесение повышенных доз на воза с применением орошения, агрономически обоснованными нормами.
7. Эколого-экономическая оценка показала, что оптимальная эффек тивность от применения рекультивационных мер получена от использования высокой дозы навоза (100 т/га), где продукция отвечала санитарно гигиеническим требованиям. При этом на один рубль затрат получено 1, руб. прибыли.
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ В связи с актуальностью проблемы загрязнения агроландшафтов тяже лыми металлами в Центральном регионе России необходимо осуществлять постоянный мониторинг поступления токсикантов в природную среду (в ча стности – с атмосферными осадками). При высоком уровне атмосферных вы падений первостепенное внимание уделять земельным угодьям, приурочен ным к местности с эрозионным рельефом и лесными массивами, где вероят ность сверхнормативного загрязнения многократно возрастает.
На основании результатов исследований составлены технологический регламент и рекомендации к применению агрохимической мелиорации почв, подверженных техногенному загрязнению, в условиях южной части Нечер ноземной зоны РФ (подзадание 03.01.03.05 «Разработать агробиологические мелиорации техногенно загрязненных почв южной части Нечерноземной зо ны РФ», 2006–2008 гг.).
Необходимо: вывести загрязненные участки в отдельный севооборот;
определить гидролитическую кислотность почвы каждого участка;
провести известкование из расчета 2 Нг = т/га. Известняковую муку внести так, что бы распределить нейтрализующий материал по всему пахотному слою. Для этого половину дозы заделать плугом на всю глубину вспашки. Другую часть – культиватором.
Наиболее эффективным способом детоксикации является применение органических удобрений. Поэтому органические удобрения следует вносить после уборки парозанимающей культуры или яровой зерновой под основную вспашку. Желательно, чтобы первой культурной была пропашной (свекла, картофель, кукуруза). При этом надо знать обеспеченность почвы подвиж ными элементами питания. В случае недостатка, для улучшения питания, следует использовать рациональные дозы минеральных удобрений (N60–90, P60–120, K60–120 кг/га).
Производственные испытания рекомендуемых приемов для повышения продуктивности техногенного загрязнения чернозема тяжелосуглинистого проведены в ООО «Агрофирма МТС Нива-Рязани» Скопинского района Ря занской области. Урожайность зерна ячменя выросла на 36%, а продукция была экологически безопасной.
Основные положения диссертации изложены в следующих работах:
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Кондрашова, Ю.А. Особенности распределения тяжелых металлов в почвах лесных экосистем / Ю.А. Кондрашова, Ю.А. Мажайский, С.А. Тоб ратов // Плодородие / ВНИИА Россельхозакадемии им. Прянишникова, № 1(46)2009. – С. 51–52.
2. Кондрашова, Ю.А. Природные и техногенные факторы естествен ной радиоактивности почв центра России / Ю.А. Кондрашова, Н.Н. Дубенок, Ю.А. Мажайский, С.А. Тобратов, Г.А. Кононова // Доклады Российской ака демии сельскохозяйственных наук, № 4, 2010. – С. 27–31.
3. Блохова, Ю.А. Экосистемные закономерности критических нагру зок и их анализ / Ю.А. Блохова, В.Ф. Евтюхин // Агрохимический вестник, № 1, 2012. – С. 24–26.
В других изданиях:
Кондрашова, Ю.А. Обоснование воздействия промышленных 4.
предприятий на сопредельные территории на примере Рязанской ГРЭС / Ю.А. Кондрашова, Ю.А. Мажайский, С.А. Тобратов // Экологическое со стояние природной среды и научно-практические аспекты современных ме лиоративных технологий: Сб. науч. тр. Выпуск 2. – Рязань, 2006. – С. 444– 452.
5. Кондрашова, Ю.А. Закономерности распределения тяжелых ме таллов в почвах лесных экосистем (на примере центральной части рязанского региона) / Ю.А. Кондрашова, Ю.А. Мажайский, С.А. Тобратов // Экологиче ское состояние природной среды и научно-практические аспекты современ ных мелиоративных технологий: Сб. науч. тр. Выпуск 3 – Рязань, 2010. – С.
523–532.