Эколого-агрохимический мониторинг состояния и научные основы охраны агроэкосистем от химического загрязнения в центральном предкавказье
На правах рукописи
Подколзин Олег Анатольевич ЭКОЛОГО-АГРОХИМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ И НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ОХРАНЫ АГРОЭКОСИСТЕМ ОТ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В ЦЕНТРАЛЬНОМ ПРЕДКАВКАЗЬЕ 03.00.16 – экология 06.01.04 – агрохимия
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук
Ставрополь – 2009 1
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ставропольский государственный аграрный университет» и Государственном центре агрохимической службы «Ставропольский»
Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Есаулко Александр Николаевич
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Барабаш Иван Петрович доктор биологических наук, профессор, заслуженный деятель науки России Шеуджен Асхад Хазретович доктор сельскохозяйственных наук, профессор Кумахов Владимир Исмагилович
Ведущая организация: ГНУ «Ставропольский научно-исследовательский институт сельского хозяйства» РАСХН
Защита состоится «..........».......................... 2009 г. в ….....часов на заседании диссертационного совета Д 220.062.03 при ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» по адресу: 355017, г.Ставрополь, пер. Зоотехнический, 12, ауд. 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет, с авторефератом — на официальном сайте ВАК http://vak.ed.gov.ru.
Автореферат разослан «..........»................................ 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета А. П. Шутко
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Охрана агроэкосистем от химического загрязнения – важнейшая социальная и экономическая задача.
Тенденция к накоплению химически вредных веществ в агроэкосистемах обусловливает необходимость регулярного мониторинга за их содержанием, а на загрязненных почвах – применение системы агротехнических и агрохимических мероприятий по их детоксикации.
Разработка научно обоснованных приемов предотвращения загрязнения и детоксикации при различных уровнях загрязнения почв необходима для ведения устойчивого земледелия, получения чистой сельскохозяйственной продукции, отвечающей санитарно-гигиеническим нормам безопасности для животных и человека.
Центральное Предкавказье – регион с относительно высоким техногенным воздействием и интенсивным использованием земель в сельскохозяйственном обороте.
Опасными являются высокие концентрации в почве тяжелых металлов: Pb, Cd, Zn, Cu, Co, Mn, Ni, их большая фитотоксичность, накопление в почве и растениеводческой продукции. Радионуклиды 90Sr и 137Cs по трофическим цепям легко передаются от растений животным и человеку, имеют свойство накапливаться в костях и приносят большой вред здоровью. Результат нефтяного загрязнения — формирование почвенных ареалов с необычными для зональных условий морфологическими свойствами, усиление кутанообразования, ухудшение структуры почвы, снижение продуктивности вплоть, до необходимости вывода загрязненных земель из сельскохозяйственного оборота.
Процесс обострения взаимоотношений общества и природы, сопутствующие ему негативные изменения и последствия, очевидная бесконтрольной эксплуатации ресурсов почвы обусловили необходимость выработки соответствующих комплексных решений на основе эколого-агрохимического мониторинга загрязнения почв и продукции растениеводства в условиях региона.
Цель и задачи исследований. Цель работы — изучить влияние природных и антропогенных факторов на содержание тяжелых металлов, радионуклидов, нефтяных углеводородов в различных компонентах агроэкосистем Центрального Предкавказья и теоретически обосновать охрану окружающей среды от химического загрязнения.
В задачи исследований входило:
– изучить уровень химического загрязнения различных компонентов агроэкосистем тяжелыми металлами, радионуклидами, нефтью и нефтепродуктами;
– определить фоновые значения содержания в почве тяжелых металлов (Pb, Mn, Co, Cd, Ni, Zn, Cu), радионуклидов (90Sr, 137Cs), установить нормы допустимого остаточного содержания нефти в почвах различных агроклиматических районов Центрального Предкавказья;
– выявить влияние природных и антропогенных факторов на трансформацию химических загрязнителей в почве;
– определить степень влияния химических загрязнителей на фитотоксичность почв и продуктивность агрофитоценоза;
– исследовать количественные параметры миграции химических загрязнителей по профилю различных типов почв в зависимости от величины загрязнения, возделываемых культур;
– установить основные действующие и потенциальные источники загрязнения, оценить степень их негативного влияния на агроэкосистемы;
– установить влияние химических загрязнителей на гидрохимический режим, состояние грунтовых и поверхностных вод;
– определить баланс тяжелых металлов в агроэкосистемах Центрального Предкавказья и рассчитать прогноз изменения экологической обстановки;
– разработать комплекс методов и мер по охране агроэкосистем от химического загрязнения на основе проведенных исследований.
Научная новизна. Впервые в условиях Центрального Предкавказья на основе эколого-агрохимического мониторинга агроэкосистем определены фоновые значения содержания тяжелых металлов (Pb, Mn, Co, Cd, Ni, Zn, Cu), радионуклидов (90Sr, 137Cs) в почвах различных агроклиматических районов края, установлены нормы допустимого остаточного содержания нефти в почвах.
Установлен уровень загрязнения пашни, в том числе орошаемой, пастбищ и сенокосов такими основными загрязнителями, как тяжелые металлы, радионуклиды, нефть и нефтепродукты. Исследована динамика их содержания в почвах региона и миграция по профилю почвы.
Проведен качественный, количественный химический анализ различных видов удобрений и мелиорантов, применяемых в регионе на содержание Pb, Cd, Zn, Cu, Mn, Ni, 90Sr, 137Cs, фтора.
Исследованы количественные показатели поступления и выноса тяжелых металлов из почвы для оценки экологической ситуации с помощью балансовых расчетов.
Изучен уровень химического загрязнения поверхностных вод проточного, непроточного типов и подземных вод.
Впервые проведено комплексное исследование техногенных аномалий в Центральном Предкавказье, в том числе в особо охраняемом курортном регионе Кавказских Минеральных Вод, и определено их влияние на агроэкосистемы.
Представленные в диссертации материалы могут служить основой методических и методологических подходов к проведению эколого агрохимического мониторинга по всему комплексу проблем защиты агроэкосистем от химического загрязнения.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
1. Уровень фонового содержания тяжелых металлов и радионуклидов в почвах Центрального Предкавказья ниже предельно допустимых концентраций (ПДК) и не оказывает негативного влияния на агроэкосистемы.
2. Установленные нормы допустимого остаточного содержания нефти в основных почвах агроэкосистем Центрального Предкавказья не оказывают отрицательного влияния на растения и почвенную биоту.
3. Для объективной оценки уровня химического загрязнения агроэкосистем и прогноза их состояния необходимо использовать совместно методы эколого агрохимического мониторинга и прикладные исследования.
4. Химическое загрязнение грунтовых и поверхностных вод тяжелыми металлами и нефтяными углеводородами Центрального Предкавказья связано с антропогенным фактором.
5. По степени химического загрязнения агроэкосистем источники загрязнения располагаются в следующем порядке: удобрения и мелиоранты атмосферные осадки транспорт промышленность коммунальное хозяйство городов и других поселений.
6. Оптимизация применения удобрений, совершенствование систем земледелия, повышение устойчивости агроэкосистем являются существенными факторами снижения отрицательного влияния химических загрязняющих веществ.
7. Экономическая, социальная и экологическая эффективность мероприятий по охране агроэкосистем от химического загрязнения выражается в окупаемости затрат, сохранении почвы как важнейшего компонента биосферы, создании комфортной среды обитания человека.
Практическая значимость работы. Производству рекомендовано целевое использование почв с локальным загрязнением тяжелыми металлами. Определено максимально приближенное к местным условиям фоновое содержание тяжелых металлов и радионуклидов, установлены нормы допустимого остаточного содержания нефти в почвах региона, которые необходимо использовать при детоксикации почв.
По результатам исследования рекомендовано создать в регионе, в том числе в районе курортов Кавказских Минеральных Вод, систему постоянно действующего эколого-агрохимического мониторинга за уровнем загрязнения почв и растений тяжелыми металлами и радионуклидами, нефтью и другими химическими загрязняющими веществами. Оперативная и качественная информация будет являться основой защиты агроэкосистем от химических загрязнений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на IV и V съездах Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004 г. и Ростов-на-Дону 2008 г.), международных (Ставрополь, 2001, 2004, 2005 гг.), всероссийских (Москва, 2005 гг.) и региональных (Ставрополь, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 гг.), научно-практических конференциях и ежегодных отчетных сессиях Государственного центра агрохимической службы «Ставропольский» и ФГУ ВПО Ставропольского государственного аграрного университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 печатных работ, в том числе 1 монография и 1 патент.
На основании материалов диссертационной работы получено авторское свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Исследования выполнены в соответствии с государственными программами ВНИИА им. Д. Н. Прянишникова, научно технических советов региональных сельскохозяйственных органов.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 357 страницах машинописного текста, содержит 117 таблиц, 36 рисунков и 17 приложений.
Состоит из введения, 9 глав, выводов и предложений производству. Список литературы включает 352 научные работы, в том числе 33 – иностранных авторов.
В процессе выполнения работы автор получал консультации, советы и помощь ученых, которым выражает глубокую благодарность.
За помощь в проведении исследований в полевых и лабораторных условиях автор благодарен коллективу Федерального государственного учреждения государственному центру агрохимической службы «Ставропольский».
Особую благодарность выражаю научному консультанту, доктору сельско хозяйственных наук, профессору А.Н. Есаулко за научно-методическую помощь в подготовке и осуществлении программы исследований.
Содержание работы 1. Литературный обзор В главе проводится подробный анализ научных данных, обобщено состояние изученности проблемы, представленной в диссертационной работе.
Рассматривается современное учение об экологических функциях агрохимии, основоположником которого является В. Г. Минеев (1976, 1988, 1998, 2000, 2004).
Описывается история и результаты изучения влияния тяжелых металлов, радионуклидов, углеводородов нефти на почвы, поверхностные воды и сельскохозяйственную продукцию, обсуждаются методы и приемы защиты агроэкосистем Северо-Кавказского региона от химического загрязнения, установленные многими исследователями ( Агеев, 2001;
Агафонов, 2002;
Петрова, 2003;
Есаулко, 2006;
Шеуджен, 2007;
Кумахов, 2007 и др.).
В данной работе под агроэкосистемой понимается совокупность антропогенных агроценозов, расположенных на участке земной поверхности в границах агроклиматических районов.
2. Условия, объекты и методы проведения исследований Основная часть исследований проведена с 2001 по 2008 годы в условиях Став ропольского края, территория которого в значительной мере совпадает с террито рией Центрального Предкавказья и имеет семь агроклиматических районов (рис. 1).
Дивное Красногрвардейское Ипатово Летняя Ставка Новоалександровск Донское Арзгир Светлоград Изобильный Грачевка Михайловск II Благодарный I III Ставрополь IV Левокумское V Буденновск Кочубеевское Новоселицкое Нефтекумск Александровское Невинномысск Курсавка Зеленокумск Минеральные Воды Степное VI Георгиевск Курская Новопавловск Пятигорск VII Кисловодск I. Сухой V. Умеренно влажный II. Очень засушливый VI. Влажный III. Засушливый VII. Избыточно влажный IV. Неустойчиво влажный Рисунок 1 – Агроклиматическое районирование Ставропольского края Агроклиматическое районирование осуществлено учёными Ставропольского научно-исследовательского института сельского хозяйства на основе учета таких важных для произрастания сельскохозяйственных культур факторов, как почвенный покров, обеспеченность влагой и теплом. Краткая характеристика агроклиматических районов приведена в табл. 1.
Таблица 1 – Характеристика агроклиматических районов Сумма Сумма температур Ведущие Название и 100С в осадков возделываемые Район площадь, Почвы ГТК за год, среднем за сельскохозяй тыс. га мм сутки, ственные культуры град.
Светло-каштановые, Сухой I солонцово-солонча- 300-325 3600 0,5 Кормовые угодья 279,1 ковые комплексы Очень Каштановые, кашта Озимая пшеница, засушливый новые солонцеватые, II 300-375 3400-3600 0,5-0, озимый ячмень темно-каштановые 1675, Засушли- Озимая пшеница, Темно-каштаноые, вый III 350-450 3200-3500 0,7-0,9 озимый ячмень, чернозёмы южные виноград, сады 2084, Озимая пшеница, озимый ячмень, Неустойчи Чернозёмы обыкно- кукуруза, во влажный IV 450-550 3000-3400 0,9-1, венные подсолнечник, 1121,2 сахарная свекла, виноград, сады Чернозёмы обыкно- Озимая пшеница, венные, чернозёмы озимый ячмень, Умеренно обыкновенные оста- кукуруза, влажный V 500-600 3000-3200 1,1-1, точно-солонцеватые, подсолнечник, 780,4 чернозёмы типичные и сахарная свекла, выщелоченные виноград, сады Озимая пшеница, озимый ячмень, Чернозёмы типичные и кукуруза, Влажный VI выщелоченные, 550-600 2800-3000 1,3-1,5 подсолнечник, 84,8 чернозёмы горные сахарная свекла, виноград, карто фель, овощи, сады Озимая пшеница, Чернозёмы типичные и озимый ячмень, Избыточно выщелоченные, кукуруза, влажный VII чернозёмы горные, 600-800 До 2800 0, подсолнечник, чернозёмовидные 85,0 картофель, овощи, горно-луговые виноград Основными объектами исследования являлись почва, сельскохозяйственная продукция, поверхностные и грунтовые воды агроэкосистем 7 агроклиматических районов, и определялась степень их загрязнения тяжелыми металлами (Cu, Zn, Mn, Co, Cd, Pb, Ni), радионуклидами (90Sr, 137Cs), углеводородами нефти.
Большая часть исследований проведена методом сплошного эколого агрохимического мониторинга почв. С 2001 по 2008 годы таким способом обследовано 3,6 млн га, отобрано и проанализировано 18,2 тыс. проб. Работы выполнены в соответствии с методическими указаниями «Методические и организационные основы проведения агроэкологического мониторинга в интенсивном земледелии (на базе географической сети опытов)», (М., 1991) и «Методические указания по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения», (М., 2003).
Кроме этого проводились исследования методом локального мониторинга в индикаторных сельскохозяйственных организациях и на 62 реперных участках согласно рекомендациям «Проведение локального мониторинга по определению влияния удобрений и других средств химизации на совокупность свойств почв, урожайность сельскохозяйственных культур и их качество», (М. 1991) и «Методическим указаниям по проведению локального мониторинга на реперных участках», (М., 1996, издание 2-е, переработанное и дополненное).
Все химические анализы выполнены аналитическими отделами Государст венного центра агрохимической службы «Ставропольский» и Государственной станции агрохимической службы «Прикумская». В почвенных пробах определя лось содержание гумуса по Тюрину в модификации ЦИНАО, ГОСТ 26213-91, подвижного фосфора и обменного калия по Мачигину (26205-91), нитратного и аммонийного азота по ГОСТ 26488-91, 26489-91, рН почвы — в водной суспензии (ГОСТ 26423-85), влажность почвы весовым методом по Доспехову (1987).
Для определения содержания тяжелых металлов использовались «Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продуктах растениеводства», (М., 1992).
Валовое содержание определялось методом кислотного гидролиза с использованием азотной кислоты и атомно-абсорбционной спектроскопии на приборах С-115 и КВАНТ-АФА.
Извлечение подвижных форм металлов из почвы осуществлялось ацетатно аммонийным буферным раствором с рН-4,8 и определением атомно абсорбционным методом.
Определение тяжелых металлов в воде проводилось с использованием азотной кислоты и атомно-абсорбционного метода согласно НДП-20.1:2:3.19-95 и ГОСТР 51309-99. Приборы: КВАНТ-АФА и МГА-915.
Сеть пунктов наблюдений охватывала все виды природных вод:
большие, средние и малые реки, оросительные и дренажные каналы;
– поверхностные воды непроточного типа – озера, пруды, водохранилища;
– подземные воды – грунтовые и артезианские.
– Отбор проб осуществлялся дважды в год – весной и осенью.
Определение тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции велось методом сухого озоления с атомно-абсорбционным окончанием. Тяжелые металлы в пищевых продуктах определялись в соответствии с ГОСТ-30178-96.
Измерение активности радионуклидов 90Sr и 137Cs в почвенных пробах, сельскохозяйственной продукции и воде осуществлялось в соответствии с методиками МИ ВНИИФТРИ-1996 г.;
СанПин 2.1.4 559-96, на СанПин 2.3.2 560 96 и ГН 2.6.1 054-96 (НРБ-96) на приборном комплексе УСК «Гамма Плюс» с программным обеспечением «Прогресс».
Нефтяные углеводороды в почве определялись в соответствии с ПНДФ 16.1:2.2.22-98 «Методика выполнения измерения массовой доли нефтепродуктов в почвах и донных отложениях методом ИК-спектроскопии».
Нефтяные углеводороды в воде выявлялись в соответствии с РД 52.25.478-95.
МУ «ИК-фотометрическое определение нефтепродуктов в водах».
Методической основой оценки исследований по тяжелым металлам (ТМ) являлись: ГОСТ 17.4.3.06-86 (СТ СЭВ 5301-85). Охрана природы. Почвы. Общие требования к классификации почв по влиянию на них химических загрязняющих веществ, М., 1987;
Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах (Дополнение №1 к перечню ПДК и ОДК №6229-91).
Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.020-94, Госкомсанэпиднадзор России, М., 1995;
указания, разработанные ЦИНАО (1994, 1996). В соответствии с этими методиками уровень загрязнения почв тяжелыми металлами оценивался по следующей группировке: незагрязненные, умеренно загрязненные (менее 0, ПДК), слабо загрязненные (0,5-1,0 ПДК), средне загрязненные (1,0-1,5 ПДК) и сильно загрязненные (более 1,5 ПДК).
Безопасность сельскохозяйственной продукции оценивалась в соответствии с нормами, определенными «Гигиеническими требованиями к безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов» (СанПин 2.3.2.560-96), «Временными МДУ содержания некоторых химических элементов в кормах для сельскохозяйственных и кормовых добавок» (Госагропром, Главк ветеринарии, М., 1987) №123-4/281-87, «Инструкцией о радиологическом контроле качества кормов», утвержденной Главным Государственным инспектором России 01.12.94 г. № 13-7-2/216.
Оценка уровня загрязнения нефтяными углеводородами почв Центрального Предкавказья проведена согласно Международному стандарту ИСО 11269-2 и «Временным рекомендациям по разработке и введению в действие нормативов допустимого остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации в почвах после проведения рекультивационных и иных восстановительных работ», утвержденным Министерством природных ресурсов РФ 12.09.2002 г. № 574.
Полевые опыты, лабораторные анализы сопровождались общепризнанными методиками растительных и почвенных образцов.
Погодные условия в годы исследований в целом благоприятствовали получе нию высоких урожаев большинства сельскохозяйственных культур, хотя и разли чались по агроклиматическим районам Центрального Предкавказья (рис. 2 и 3).
I II III IV V VI VII район Среднее 2001- Средняя 2008 многолетняяя Рисунок 2 – Среднегодовая сумма осадков по данным Ставропольского гидрометцентра, мм I II III IV V VI VII район Среднее 2001- Средняя 2008 многолетняяя Рисунок 3 – Среднегодовая температура воздуха по данным Ставропольского гидрометцентра, °С В целом по региону заметно увеличение среднегодового количества осадков и снижение среднегодовой температуры воздуха от первому к седьмому району.
В таблице 2 приведены результаты статистической обработки данных по среднегодовым значениям суммы осадков и температуры воздуха за период исследований.
Таблица 2 – Уравнения регрессии по среднегодовой сумме осадков и температуре за 2001-2008 гг.
№ Уравнение регрессии по Уравнение регрессии по Наименование района района среднегодовой сумме осадков среднегодовой температуре I Сухой f(х)= -0,57х+403,82 f(х)= -0,01х+11, II Очень засушливый f(х)= -7,48х+456,39 f(х)=0,02х+11, III Засушливый f(х)= -17,08х+568,25 f(х)=0,05х+11, IV Неустойчиво влажный f(х)= -14,29х+643,79 f(х)=0,09х+10, V Умеренно влажный f(х)= -13,46х+622,21 f(х)=0,06х+10, VI Влажный f(х)= -10,39х+669,14 f(х)=0,03х+9, VII Избыточно влажный f(х)= -1,63х+697,21 f(х)=0,01х+8, Из результатов статистической обработки видно, что наблюдается тенденция снижения количества выпавших осадков за период с 2001 по 2008 годы по всем агроклиматическим районам. Линейная регрессия является отрицательной для всех агроклиматических районов.
Среднегодовое значение температуры за период наблюдений увеличивается, поэтому линейная регрессия является положительной для всех агроклиматических районов, кроме первой (табл. 2).
Агротехника возделывания сельскохозяйственных культур в основном соответствовала рекомендациям ученых Ставропольского научно-исследовательс кого института сельского хозяйства и Ставропольского государственного аграрного университета, хотя способы обработки почвы имеют тенденцию к снижению использования плугов и увеличению площади сельскохозяйственных угодий, обрабатываемых без оборота пахотного слоя почвы.
В период исследований были проведены сопутствующие опыты по следующим схемам.
Влияние длительного применения органоминеральных удобрений на содержание тяжелых металлов в почве изучалось в стационарном многофактор ном опыте кафедры агрохимии и земледелия Ставропольского государственного аграрного университета, расположенном на сельскохозяйственной опытной станции в пределах Ставропольской возвышенности. Стационар зарегистрирован в реестре аттестатов длительных опытов Геосети Российской Федерации «Теоретические и технологические основы биогеохимических потоков веществ в агроландшафтах». Почва опытного участка — чернозем выщелоченный, мощный, среднегумусный тяжелосуглинистый, который характеризуется в настоящее время нитрификационной способностью (16-30 мг/кг), средним содержанием гумуса (5,2-5,9%), подвижного фосфора (18-28 мг/кг по Мачигину) и повышенным — обменного калия (240-290 мг/кг). Реакция почвенного раствора в верхних горизонтах почвы нейтральная, рН находится в пределах 6,2-6,7. Содержание общего азота — 0,25 %, общего фосфора — 0,13-0,15 %, общего калия — 2,3 %.
Агрохимическая характеристика почвы стационара до закладки опыта (0-20 см слой): рН водн. - 6,7;
Hr — 2,7 мг·экв./100 г почвы;
S — 42,1 мг·экв./100 г почвы;
V — 95%;
подвижные формы Р2О5 — 24, К2О — 260 мг/кг почвы.
Опыт трехфакторный, представлен следующими факторами: А — системы удобрения в севообороте, В — способы основной обработки почвы, С — временной фактор. Наши исследования были направлены на анализ изменений содержания химических загрязнителей в почве в трех системах удобрений:
рекомендованная, балансовая и расчетная. Объем применения удобрений в стационарном опыте составил: в течение двух ротаций севооборота с 1978 по годы соответственно: N360P560K40 + 40 т/га;
N720P920K280 + 80 т/га;
N1080P1320K480 + 120 т/га, а с 2000 по 2008 годы — N160P156K18 при соотношении N:P:K =1:0,98:0, + 5 т/га навоза.
Для нормирования содержания нефти и нефтепродуктов в почве исследования проводились методом закладки вегетационного опыта по определению токсического воздействия различных концентраций нефти на развитие и рост растений. Все работы выполнялись согласно ИСО 11269-2.
Опыт проводился на черноземах (подтип чернозем обыкновенный) и каштановых (подтип каштановая) почвах. Были выбраны два вида растений:
яровой ячмень и озимый рапс. Выращивание растений проводилось в теплице, при естественном освещении, в вегетационных сосудах из непористого пластика.
Был выбран ряд испытуемых концентраций нефти, значения которых возрастают с фактором 2: 0,5;
1,0;
2,0;
4,0;
8,0;
16,0;
32 г/кг. Используемая для опыта нефть представляла собой смесь сырой нефти Северо-Кавказской нефтегазовой провинции. Плотность нефти составляла 0,767 г/см3.
Опыт проводился в четырехкратной повторности. В течение всего опыта велись фенологические наблюдения. После окончания опыта определяли содержание нефтепродуктов в почве каждого варианта опыта Для оценки различий в результатах роста растений по вариантам опыта применялся однофакторный дисперсионный анализ. Выборки данных составлялись по каждому варианту опытов (чернозем — ячмень;
чернозем -рапс;
каштановая почва - ячмень и каштановая почва - рапс) Анализируемыми параметрами служили всхожесть семян и наземная масса растений. Поскольку в опытах не было территориально организованных повторении, дисперсионный анализ проводили как для несопряженных выборок.
Производственно-экономические условия в период исследований характеризу ются постепенным ростом интенсивности сельскохозяйственного производства, ростом урожайности и валового производства сельскохозяйственной продукции, хотя темпы интенсификации и роста производства продукции по агроклиматическим районам имеют существенные различия.
Экономическая, экологическая и социальная эффективность эколого агрохимического мониторинга и защиты агроэкосистем от химического загрязнения рассчитана в соответствии с общепринятыми методологическими принципами.
3. Источники химического загрязнения агроэкосистем Центрального Предкавказья Основными источниками природного и антропогенного загрязнения агроэко систем являются: почвообразующие породы, осадки в виде дождя и снега, отходы коммунального хозяйства, промышленные предприятия, химические, нефтепе рерабатывающие и другие заводы, карьеры по добыче полиметаллических руд, транспорт.
Наши исследования затронули более 310 предприятий промышленности, транспорта, связи, сельского хозяйства, являющимися источниками загрязнения агроэкосистем. По расчетным данным, ежегодные выбросы загрязняющих веществ от их деятельности составляют более 70 тыс. т. Распределение по агроклиматическим районам представлено на рисунке 4.
тыс.тонн 15 27, 23, 12, 5, 3,8 0, 0, I II II IV V VI VII Районы Рисунок 4 – Распределение выбросов загрязняющих веществ по агроклиматическим районам Ставропольского края По результатам исследований получены данные, которые отражают негативную нагрузку на агроэкосистему от выбросов стационарных источников. В биогеохимические циклы включаются синтетические соединения, ранее не известные природной среде. Более 1,1 т загрязняющих веществ ежегодно выбрасывается на квадратный километр территории Центрального Предкавказья.
Однако они распределены не равномерно, агроклиматические районы значительно отличаются по степени загрязнения. Неблагополучная ситуация в сравнении с другими районами отмечена в районе неустойчивого и умеренного увлажнения, относительно высокие выбросы в засушливом районе. Ведущая роль в загрязнении агроэкосистем принадлежит предприятиям занимающимся добычей полезных ископаемых, химическим и обрабатывающим производством. В очень засушливом районе на экологическую ситуацию влияет деятельность ОАО «Роснефть-Ставропольнефтегаз» где добыча полезных ископаемых приводит к тому, что диоксиды серы и углеводороды выбрасываются практически без очистки. В засушливом районе на экологическую ситуацию влияет деятельность ООО «Ставролен». В районах неустойчиво влажном и умеренно влажном сосредоточены промышленные предприятия ОАО «Невинномысская ГРЭС», ОАО «Невинномысский Азот», ОАО «Арнест», ОАО «Ставропольская ГРЭС», и другие. Таким образом, данная территория является аккумулятором промышленных предприятий и естественно источником неблагоприятной экологической ситуации. Такое распределение еще и дополнительный очаг влияния инфраструктуры на поступление загрязняющих веществ в агроклиматический район.
Ежегодные выбросы от транспорта составляют более 350 тыс. т и это цифра неуклонно растет. Так только из аэропорта Минеральные воды расположенного в неустойчиво влажном районе ежесуточно осуществляют взлеты и посадки свыше 30 самолетов. В общем объёме промышленного загрязнения доля автотранспорта занимает около 80%.
Также потенциальными источниками загрязнения почв и растений являются минеральные, органические и другие удобрения, мелиоранты, применяемые без научно обоснованных рекомендаций.
Анализ показал, что в удобрениях производимых, «Невинномысским Азотом» содержание меди составляло – 8,2 - 42,0, цинка – 12,0-38,5, кадмия – 0,1, марганца – 24,5-126, свинца – 0,1-0,5, хрома – 10,5-55,0, кобальта – 0,3-0,8, никеля – 6,5-18, мг/кг. По мере уменьшения содержания в удобрениях Невинномысского завода тяжелые металлы располагались в среднем в следующем порядке: Mn Cr Cu Zn Ni Co Pb Cd.
Большим содержанием тяжелых металлов отличалось удобрение КАС.
Карбамид и аммиачная селитра производимая и поставляемая Новомосковским заводом по содержанию тяжелых металлов несущественно отличались от идентичных удобрений выпускаемых Невинномысским заводом.
Сульфат аммония содержал Zn, Mn, Pb, Cr, Co столько же, с и удобрение КАС.
Наиболее «чистым» в отношении содержания многих тяжелых металлов является карбамид.
Содержание тяжелых металлов в сложных удобрениях поставляемых ПГ Фосфорит (Кингисеп) и Еврохим – БМУ (Белореченск) варьировало в следующих пределах: Cu 22,2-23,6;
Zn – 36,0-62,0;
Mn – 188-208;
Со – 2,8-3,5;
Ni – 9,0-25,0;
Pb – 8,0-12,0;
Cd – 2,2-3,0 мг/кг (табл. 3).
Таблица 3 – Содержание тяжелых металлов в удобрениях используемых в Центральном Предкавказье Содержание тяжелых металлов мг/кг Удобрение Производитель Cu Zn Cd Mn Pb Карбамид 14,0 12,0 - 24,5 Невинномысский Аммиачная селитра 8,2 13,0 0,1 33,5 0, Азот КАС 42,0 38,5 - 126 0, Карбамид 14,6 14,0 - 27,0 Аммиачная селитра 9,0 14,0 0,1 35,0 0, Новомосковский завод КАС 40,0 42 - 135 8, Сульфат аммония 24,0 44,0 0,5 130 8, Аммофос 23,0 40,5 3,0 205 10, ПГ Фосфорит Сульфоаммофос 23,2 55,0 2,6 188 8, (Кингисепп) Аммофоска 23,6 52,0 2,2 208 10, Аммофос 22,8 36,0 2,2 192 12, ЕВРОХИМ-БМУ (Белореченск) Сульфоаммофос 22,0 62,0 3,0 195 8, Установлено, что содержание Сu в таких удобрениях, как аммофос, сульфоаммофос, аммофоска отличалось несущественно. Содержание Zn большим было в сульфоаммофосе, производимом в «Еврохим – БМУ» (Белореченск) – 62, мг/кг. Меньше всего Zn содержалось в аммофосе, производимом на этом же заводе. Больше Сd содержало в аммофосе ПГ Фосфорит (Кингисеп) и сульфоаммофосе Еврохим – БМУ (Белореченск) – 3,0 мг/кг.
Среднее содержание тяжелых металлов в фосфорных удобрениях в регионе составляет: Zn – 41,0-49,0;
Cu – 27,0;
Mn – 200,0-215,0;
Cd – 3,8-4,2;
Pb – 15,0 18,0;
Ni – 12,2-16,5.
Большим содержание тяжелых металлов отличается суперфосфат аммонизированный.
Содержание в калийных удобрениях тяжелых металлов не превышало: Zn – 18,0;
Cu – 28,7;
Mn – 13,0;
Cd – 3,8;
Pb – 10,5;
Ni –16,0 мг/кг.
Органические удобрения отличались большим содержанием Zn.
В целом анализ показал, что больше тяжелых металлов содержится в фосфорных удобрениях, меньше – в азотных и калийных. Сложные удобрения по содержанию тяжелых металлов занимают среднее положение между фосфорными и калийными.
Наши расчеты свидетельствуют о том, что в последние годы в связи со значительным уменьшением внесения под сельскохозяйственные культуры удобрений поступление тяжелых металлов снизилось. Однако опасность загрязнения ими продукции растениеводства остается серьезной проблемой и требует к себе пристального внимания (рис. 5, 6).
г/га Pb Cd Zn Cu Ni тяжёлые металлы Минеральные Органические Мелиоранты удобрения удобрения Рисунок 5 – Поступление тяжелых металлов в агроэкосистемы (среднее за 1986 - 1997 гг.) По степени негативного влияния на агроэкосистемы Центрального Предкавказья тяжелые элементы расположились в следующем порядке: кадмий медь свинец никель цинк.
Несмотря на то, что с органическими удобрениями вносится значительно большее количество тяжелых металлов по сравнению с мелиорантами, следует признать, что это является повторным поступлением в круговорот почва-растение животное.
г/га Pb Cd Zn Cu Ni тяжёлые металлы Минеральные Органические Гипсование удобрения удобрения Рисунок 6 – Поступление тяжелых металлов в агроэкосистемы в период (среднее за 1998 - 2008 гг.) Такое распределение во многом связано с содержанием цинка, свинца, никеля в составе балластных соединений в удобрениях и мелиорантах.
Анализ дождевой и талой воды в основных агроклиматических районах региона позволил получить неоднозначные данные об их химическом составе и содержании в них тяжелых металлов.
В очень засушливом и засушливом районах региона содержание в снежном покрове хрома в годы исследований варьировало в пределах 3,3-3,9 мг/л и было в 2,5-2,9 раза больше, чем в дождевой воде. Содержание цинка напротив в дождевой воде было в 4,3-6,9 раза больше, чем в снеге. Содержание в снеге меди составляло от 0,017 до 0,071 мг, свинца – от 0,007 до 0,009 мг/л. В дождевой воде содержание меди достигало 0,090-0,095, свинца – 0,001-0,002 мг/л.
Содержание кадмия в атмосферных осадках очень засушливого и засушливого районов значительно ниже чем в других, что, по видимому, связано с меньшим количеством источников техногенного загрязнения.
В неустойчиво влажном и умеренно влажном районах содержание хрома в снеге некоторых, ключевых участков в годы исследований не отмечалось, а снег ряда участков приближенных к источникам выбросов содержал от 2,6 до 4,9 мг/л, но и эти значения ниже ПДК.
Загрязненность снежного покрова кадмием и свинцом носила локальный характер. При этом наиболее высоким содержанием кадмия отмечался снежный покров участков близких к промышленным источникам загрязнения, а свинцом участков, близких к транспортной сети, однако эти значения в 2 и 3 раза ниже ПДК.
Во влажном и избыточно влажном районах содержание в талой и дождевой воде хрома, цинка, меди, кадмия и свинца в 2001-2008 годы было значительно ниже ПДК. При этом содержание хрома в снеге в 2002 и 2003 гг. вообще не отмечалось, а в 2004 г. в среднем по районам составляло 3,9 мг/л против 350 мг/л – ПДК (табл.
4).
Таблица 4 – Результаты анализа атмосферных осадков за 2001-2008 гг.
Содержание химических загрязнителей мг/л Годы NO2 NO3 SO рН Cr Zn Cu Cd Pb Талая вода 2001 7,2 1,9 1,68 14,4 3,9 0,224 0,029 0,0001 0, 2002 6,8 4,4 0,028 10,2 3,1 0,030 0,003 0,0001 0, 2003 6,8 3,5 0,022 8,2 2,0 0,008 0,002 0,0002 0, 2004 7,1 1,9 1,64 11,4 3,9 0,224 0,029 0,0001 0, 2005 6,2 1,4 0,028 7,8 3,5 0,020 0,004 0,0001 0, 2006 7,1 2,5 0,012 12,2 2,9 0,070 0,002 0,0002 0, 2007 6,8 4,4 0,028 11,9 2,8 0,030 0,003 0,0001 0, 2008 6,8 3,5 0,022 13,1 3,1 0,080 0,002 0,0002 0, Дождевая вода 2001 7,3 1,2 0,040 6,5 1,6 0,26 0,008 0,0005 0, 2002 6,8 1,2 0,052 7,2 1,6 0,30 0,030 0,0007 0, 2003 7,0 1,4 0,035 6,8 1,6 0,26 0,008 0,0002 0, 2004 6,1 1,2 0,032 9,1 1,3 0,15 0,060 0,0004 0, 2005 7,4 1,5 0,020 6,5 1,6 0,26 0,050 0,0003 0, 2006 6,8 1,2 0,052 8,2 1,6 0,30 0,023 0,0005 0, 2007 7,4 1,4 0,035 8,5 1,6 0,26 0,080 0,0003 0, 2008 6,8 1,3 0,090 9,5 1,7 0,20 0,090 0,0005 0, ПДК 6,5-8,5 45 3,3 500 350 1,0 1,0 0,001 0, В целом следует отметить, что талая и дождевая вода Центрального Предкавказья характеризуется от слабокислой до слабощелочной реакции среды.
То есть, не изменяет рН почвы и не способствует повышению подвижности в ней тяжелых металлов. Содержание тяжелых металлов в талой и дождевой воде в основном не достигает уровня ПДК. В умеренно влажном районе в ряде ключевых участков содержание кадмия в снеговой и дождевой воде на уровне ПДК. Причина этому – промышленные выбросы.
По степени химического загрязнения агроэкосистем источники загрязнения располагаются в следующем порядке: удобрения и мелиорантыатмосферные осадкитранспорткоммунальное хозяйство городов и других поселений про мышленность.
4. Эколого-агрохимический мониторинг агроэкосистем Центрального Предкавказья Традиционная организация сельскохозяйственного производства в сложных почвенно-климатических и рельефных условиях Центрального Предкавказья по результатам исследования оценивается как нерациональная. Она нередко ведет к потере ценных угодий, снижению потенциального и эффективного плодородия почвы.
Большей эффективностью отличаются агроэкосистемы, адаптированные к различным агроландшафтам, обеспечивающие стабильную экологическую обстановку в регионе. При этом важное значение приобретает учет содержания и динамики в почвах региона тяжелых металлов в валовых и подвижных формах, радионуклидов и других загрязняющих веществ.
4.1. Масштабы и уровень содержания в почве химических загрязняющих веществ Состояние загрязнения почв определяется почвообразующей породой, системой земледелия, видами, объемами использования удобрений, многими другими природными и антропогенными факторами.
4.1.1. Масштабы загрязнения почв тяжелыми металлами Исследования почвообразующих пород Центрального Предкавказья свидетель ствуют о значительной пестроте содержания тяжелых металлов, что связано с различием по минералогическому составу, неодинаковыми условиями формирования.
В основных почвообразующих породах содержится близкое количество Zn, Co, Cu, Mo. Пески и супеси существенно обеднены ими, а глинистые сланцы богаче других пород Zn, Co и Cu. Отмечается тенденция в обогащении марганцем пород в местностях, наиболее удаленных от Кавказского Хребта, расположенных в условиях боле сухого степного климата (табл. 5).
Таблица 5 – Содержание элементов в основных материнских породах Центрального Предкавказья, мг/кг Глу- Cu Zn Mn Co Pb Ni бина Ва- Под- Ва- Под- Ва- Под- Ва- Под- Ва- Под- Ва- Под Район Порода отбора, ло- виж- ло- виж- ло- виж- ло- виж- ло- виж- ло- виж вое ное вое ное вое ное вое ное вое ное вое ное см Засушли Лёссовид вый, неу- 150 ные су- 14,1 0,2 35,3 2,9 180 17 5,6 0,06 10,4 0,4 26,6 0, стойчиво глинки влажный Засоленные Сухой, лёссо- 100 очень за- 10,9 0,3 34,2 0,6 265 34 6,0 0,06 12,4 0,5 25,5 0, видные су- сушливый глинки Элювий Умеренно 135 третичных 14,3 0,3 40,7 0,7 270 12 8,9 0,06 12,4 0,5 25,5 0, влажный глин Элювиаль но-делю- 110 Влажный 7,0 0,3 19,0 0,7 160 15 3,0 0,06 9,8 0,4 19,8 0, виальные отложения Элювиаль Избы но-делю- 150 точно 14,1 0,3 39,9 3,0 220 22 4,3 0,06 11,9 0,4 21,2 0, виальные влажный отложения Аллю Все 165 виальные 12,0 0,3 39,8 0,6 260 22 8,5 0,06 12,5 0,3 25,3 0, районы отложения Нами проведены исследования содержания по профилю основных почв Центрального Предкавказья валовых и подвижных форм тяжелых металлов.
Распределение тяжелых металлов по горизонтам каштановых почв и черноземов с тяжело- и среднесуглинистым гранулометрическим составом подчиняется общим закономерностям. Содержание валового цинка, меди, кобальта, марганца, никеля, кадмия и свинца здесь уменьшается вниз по профилю почвы. Распределение подвижных форм варьирует как по почвенным разностям, так и по различным элементам. В черноземах в сравнении с каштановыми почвами отмечалось некоторое снижение подвижности элементов.Оценка загрязнения почв тяжелыми металлами в Центральном Предкавказье представлена в таблице 6.
Количество всех тяжелых металлов значительно ниже ориентировочно допустимых концентраций (ОДК). Верхний предел содержания в долях ОДК составляет в среднем по региону: для свинца – 0,1;
цинка, марганца и никеля – 0,3-0,4;
кадмия — 0,5. Содержание меди на аллювиально-луговой почве выше, чем на остальных почвах, и составляет 0,7 ОДК, а на остальных почвах оно не превышает 0,2 ОДК.
Таблица 6 – Содержание валовых форм тяжелых металлов в верхнем (0-20 см) слое почв Центрального Предкавказья, мг/кг Район Cu Zn Mn Cd Pb Ni Наименование почв Черноземы 19,5±1,9 47,0±2,1 316±60 0,46±0,06 13,5±1,3 23,1±1, Влажный, типичные избыточно Черноземы влажный 15,0±2,5 39,4±4,7 358±39 0,43±0,07 12,7±0,8 25,1±3, выщелоченные Неустойчиво Черноземы 15,7±0,8 43,5±1,8 340±15 0,49±0,02 13,0±0,4 24,7±1, влажный обыкновенные Неустойчиво Черноземы влажный, уме- обыкновенные 17,2±2,2 42,0±2,9 351±31 0,48±0,05 12,8±1,0 24,7±3, ренно влажный солонцеватые Черноземы Засушливый 15,4±1,3 43,4±3,4 339±23 0,46±0,04 12,4±0,6 24,2±1, южные Темно 16,7±0,7 47,0±3,1 333±24 0,48±0,04 13,0±0,5 27,1±2, каштановые Темно-каштано Засушливый, 16,7±1,2 39,1±1,5 345±19 0,47±0,06 13,1±0,7 23,5±2, вые солонцеватые очень засушли вый Каштановые 14,9±0,7 42,6±1,4 333±28 0,46±0,03 11,2±0,4 22,6±1, Каштановые 16,6±3,2 47,9±4,5 273±69 0,36±0,06 10,2±1,9 23,6±7, солонцеватые Светло-кашта 15,3±0,7 46,6±2,2 326±31 0,46±0,04 11,7±0,7 24,2±1, новые Очень засушливый, Светло-кашта 10,2±2,4 32,6±5,8 197±35 0,42±0,11 7,4±1,6 21,1±1, сухой новые песчаные Солонцы 14,4±0,6 43,5±1,8 360±28 0,48±0,05 11,5±0,7 22,2±1, Все районы Аллювиальные 38,6±17,2 43,3±4,3 319±34 0,56±0,04 12,4±1,0 27,1±2, 132 220 1500 2,0 130 ОДК для глинистых и суглинистых почв 33 55 1500 0,5 32 ОДК для песчаных и супесчаных почв Анализ содержания тяжелых металлов по годам обследования свидетельствует, что увеличения площадей, загрязненных тяжелыми металлами, не наблюдается (рис. 7).
Однако существуют отдельные случаи загрязнения почв тяжелыми металлами, которые проявляются на площадях менее 1 % и носят локальный характер.
В песчаных и супесчаных почвах отмечаются превышение ориентировочно допустимых концентраций валовым никелем и мышьяком. Верхний предел содержания остальных тяжелых металлов в долях ОДК для данных почв составляет: для марганца, свинца и меди – 0,2-0,4;
цинка и кадмия – 0,8.
В аллювиально-луговых почвах на многолетних насаждениях (в основном виноградниках) нередко превышает ПДК содержание подвижной формы меди, имеются случаи превышения ОДК валовой медью. Можно предположить, что данное загрязнение объясняется высоким уровнем применения медьсодержащих пестицидов, в том числе, возможно, применявшихся в предыдущие годы.
0,6 0, 0, 0, 0,28 0,28 0, 0,2 0, % 2003 2004 2005 2006 2007 Годы Рисунок 7 – Площадь сельскохозяйственных угодий, загрязненная тяжелыми металлами в % от обследованной площади 4.1.2. Масштабы загрязнения почв радионуклидами Основными факторами, определяющими радиационную обстановку на территории Центрального Предкавказья, являются: естественная радиоактив ность, привнесенная радиоактивность (в виде отходов, образующихся при добыче, транспортировке и переработке нефти и газа, термальных, питьевых и минеральных вод, радиоактивных руд, иногда строительных материалов), радиационные аварии.
Территория региона на 90-92 % сложена породами и почвами, обладающими низким уровнем гамма-фона. В южной части (умеренно влажный, влажный и из быточно влажный агроклиматические районы) глинистая толща майкопской серии содержит линзы с детритом (костными останками рыб), обогащенным ураном.
Проявления урана в майкопских глинах, расположенных на территории умеренно влажного района, имеют небольшие глубины залегания и в отдельных случаях могут размываться рекой Кубанью. Глинистые отложения майкопской серии являются региональным водоупором, и атмосферные осадки, просачиваясь до него, обогащаются ураном, радием и радоном. В районе неустойчивого увлажнения имеются несколько площадных проявлений урана.
В регионе Кавказских Минеральных Вод радиационная обстановка обусловлена суммарным воздействием на окружающую среду природных, природно техногенных и техногенных факторов. Природные факторы связаны со своеобразием геологического строения территории и, в первую очередь, выходящими на дневную поверхность разобщенными лакколитообразными телами гранитоидного состава, обладающими высоким уровнем гамма-фона, которые прорывают толщу эоценовых и майкопских отложений. Высоким уровнем гамма-фона обладают и склоновые отложения вокруг гор-лакколитов, а также травертиновые образования по периметру гор Железной и Машук.
Природно-техногенные факторы связаны с использованием при строительстве до 60-70х годов ХХ в. высокорадиоактивных гранитоидных материалов из карьеров гор Змейки, Кинжала, Шелудивой, травертинового материала горы Железной и, в меньшей степени горы Машук. Техногенные факторы обусловлены наличием отработанных урановых месторождений Бештаугорского и Быкогорского и проявлений урановой минерализации.
В восточной части региона находится несколько десятков газонефтяных месторождений. Проливы на грунт водонефтяной смеси, размещение пластовых вод, являющихся по удельной активности слабоактивными радиоактивными отходами, в отстойниках и на полях, испарения, накопление радиоактивных солей в насосно-компрессорных трубах и другом нефтяном оборудовании, реализация предприятиями нефтегазового комплекса за многие годы деятельности населению и организациям тысяч радиоактивных труб привела к накоплению в регионе нефтедобычи радиоактивных отходов суммарной активностью около 1 тыс. Ки.
В целом результаты проведенного мониторинга свидетельствуют, что содержа ние радионуклидов 90Sr и 137Cs в поверхностном горизонте почв всей обследованной территории региона значительно ниже предельно допустимых уровней. Так, максимальное содержание стронция-90 при допустимом уровне 46,3 Бк/кг составляет 13,2 Бк/кг или 29 % от предельно допустимого. Максималь ное содержание цезия-137 при допустимом уровне 770 Бк/кг составляет 18,3 Бк/кг или 2,4 % от предельно допустимого (каштановые почвы в засушливом сухостепном районе). Четкой корреляционной связи между содержанием в почве этих радионуклидов и типами почв, а также агроклиматическими районами не прослеживается. Внутри отдельных выборок коэффициент вариации достигает 141 %. Результаты замеров гамма-фона также не вызывают опасений, мощность эквивалентной дозы не превышает допустимых значений. Почвы всей обследованной территории, согласно группировке почв по основным показателям радиоактивности, относятся к первой группе, то есть незагрязненные.
4.1.3. Масштабы загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами Загрязнение земель нефтью и нефтепродуктами становится крупной экологической проблемой Центрального Предкавказья. Нефтяная промышленность по опасности воздействия на окружающую среду занимает третье место в числе 130 отраслей современного производства.
На территории Центрального Предкавказья в настоящее время эксплуатируются несколько десятков газонефтяных месторождений, тысячи километров магистральных и промысловых трубопроводов, сотни автозаправочных станций (АЗС), увеличивается количество транспорта. Все это приводит к изменениям геохимических процессов, обусловленным техногенными потоками разных типов и интенсивности. Основные причины их появления – несовершенство технологии и нарушения технологических регламентов, а также коррозионная аварийность и дефекты оборудования. На долю коррозии металлов приходится свыше 60 % аварий. Ежегодно при авариях на нефте- и газопроводах теряется 7-20 % добываемой нефти.
Экологический ущерб от загрязнения почв весьма велик – от снижения качества и продуктивности почв до вывода земель из сельскохозяйственного оборота.
В 2002 году были выявлены три случая превышения предельно допустимой концентрации нефтепродуктов в хозяйствах сухом и очень засушливом агроклиматических районах.
В 2004-2007 годах происходило загрязнение почв из-за аварий на магистральных нефтепроводах Малгобек-Тихорецк и КТК в Курском и Ипатовском районах, второго агроклиматического района.
4.2. Агроэкологическая оценка продукции растениеводства За период 2001-2008 гг. нами исследовано содержание тяжелых металлов и радионуклидов в 10,5 млн. т растениеводческой продукции, из них более 8 млн. т составили зерновые культуры.
Ни в одной из 2535 проб превышения допустимых норм содержания тяжелых металлов и радионуклидов не обнаружено.
Результаты локального мониторинга на реперных участках также показывают, что несмотря на имеющиеся отдельные случаи загрязнения почв, растительная продукция, полученная на реперных участках, как основная, так и побочная, отвечает всем требованиям по содержанию тяжелых металлов и радионуклидов (табл. 7, 8).
Таблица 7 – Содержание радионуклидов в сельскохозяйственных культурах произрастающих на различных почвах Центрального Предкавказья, Бк/кг (среднее за 2001-2008 гг.) Каштановые почвы Черноземные почвы Культура Продукция 90 137 90 Sr Cs Sr Cs Зерно 1,6 1,5 1,6 2, Пшеница Солома 2,0 1,5 2,6 2, Зерно 1,7 2,4 1,2 2, Ячмень Солома 1,4 4,8 2,4 3, Кукуруза Зел. масса 0,8 4,0 2,7 1, Подсолнечник Семена 3,7 7,2 2,2 2, Многолетние травы Сено 2,6 3,4 2,8 2, МДУ Зерно 140 80 140 Семена масличных культур 90 70 90 Продукция плодовая 130 50 130 Продукция овощная 130 50 130 Сочные корма - - - Грубые корма - - - Таблица 8 – Содержание тяжелых металлов в растительной продукции, мг/кг ( реперные участки среднее за 2001-2008 гг.) Содержание Растительная Культура продукция Cd Pb Zn Cu Зерно 0,041 0,31 17,0 2, Пшеница Солома 0,073 0,75 8,5 1, Зерно 0,043 0,30 15,9 2, Ячмень Солома 0,079 0,77 9,3 2, Зерно 0,055 0,35 14,8 1, Кукуруза Зел. масса 0,172 1,54 22,0 5, Подсолнечник Семена 0,069 0,64 24,0 10, Люцерна Зел. масса 0,179 1,89 21,7 8, Овес Зел. масса 0,089 0,79 11,5 2, Эспарцет Зел. масса 0,045 1,26 10,6 5, Суданская трава Зел. масса 0,043 0,53 11,7 2, Зернобобовая смесь Зел.масса 0,097 1,19 13,2 3, Естественная Зел.масса 0,116 1,49 18,1 6, растительность Рапс Семена 0 0,14 11,0 1, Свекла Корнеплоды 0,017 0,31 2,3 1, Яблоня Плоды 0,008 0,08 1,2 1, Виноград Плоды 0 0,02 1,4 0, МДУ Зерно 0,1 0,5 50 Семена масличных культур 0,1 1,0 - Продукция плодовая 0,03 0,4 10 Продукция овощная 0,03 0,5 10 Сочные корма 0,3 5,0 50 Грубые корма 0,3 5,0 50 4.3.Гидрохимический мониторинг поверхностных и грунтовых вод Центрального Предкавказья.
Основным загрязнителем обследованных водных объектов из числа тяжелых металлов является свинец (табл. 9).
Таблица 9 – Водные объекты региона, загрязненные тяжелыми металлами, (среднее за 2001-2008 гг.) Коли- Коли- Количество проб воды с со Коли- Коли чество чество держанием тяжелых металлов на чество чество Водные загряз- загряз- уровне или выше ПДК, шт.
объек- проб объекты ненных ненных тов, воды, объектов, проб Pb Cd Zn Cu Ni Mn Sr Co шт. шт.
шт. воды, шт.
Поверхностные воды проточного типа Весна Реки большие 3 3 67 18 9 3 11 12 8 1 - Реки средние 10 8 145 59 31 5 26 21 8 8 - Реки малые 21 13 112 46 23 5 25 16 11 7 - Оросительные 28 10 164 58 29 11 3 -51- каналы Дренажные каналы 16 11 65 27 23 1 1 - 4 2 - Осень Реки большие 3 2 61 20 11 5 - 12 - - - Реки средние 9 8 140 60 25 13 2 28 3 1 - Реки малые 18 11 107 57 23 12 - 19 2 - - Оросительные 26 15 157 56 25 12 3 1 1 - - каналы Дренажные каналы 18 10 62 28 14 9 - - 1 1 - Поверхностные воды непроточного типа Весна Озера 12 7 52 22 21 7 6 323 - Пруды 34 24 131 51 33 3 10 14 6 5 - Рыболовные водоемы 22 22 89 85 71 68 85 15 2 - Водохранилища 17 10 79 28 15 5 13 11 3 - - Осень Озера 12 9 44 24 18 4 - 42- - Пруды 35 18 126 34 23 9 5 20 5 2 - Рыболовные водоемы 22 22 81 81 10 10 64 56 14 1 - Водохранилища 15 7 68 26 13 5 3 12 - - - Подземные воды Весна Грунтовые 12 5 36 12 9 1 1 - 2 2 - Артезианские 18 4 50 15 15 6 2 - 1 - - Осень Грунтовые 12 4 31 6 5 1 - - - - - Артезианские 15 6 46 7 6 - 1 - - - - По всем объектам весна 193 117 990 421 215 48 166 162 65 31 - осень 185 112 923 399 173 80 78 152 28 5 - итого - - 1913 820 388 128 244 314 93 36 - Содержание этого элемента превышает предельно допустимую концентрацию в 388 из 1913 проб воды, отобранных в течение 8 лет (2001-2008 гг.). После свинца наиболее распространенными загрязнителями природных вод региона являются медь и цинк. Эти токсиканты в количествах на уровне или выше ПДК встречаются преимущественно в рыбоводных водоемах.
Из других тяжелых металлов в опасных концентрациях часто встречаются кадмий и никель, реже марганец. Причем большое содержание данных загрязняющих элементов характерно преимущественно для водных объектов, расположенных вблизи городов региона, что может быть связано с более развитым здесь промышленным производством — источником техногенного загрязнения.
Содержание стронция и кобальта не опасное. Количество кобальта на уровне или выше ПДК встречается крайне редко, а концентрация стронция в воде ни разу не превысила опасного предела. Отмечены случаи превышения ПДК нефтепродуктами в поверхностных водах непроточного типа.
Самыми загрязненными являются поверхностные воды непроточного типа, причем весной они содержат большее количество токсичных элементов в концентрациях на уровне или выше ПДК. По видимому, это связано с интенсивным таянием снега, с большим количеством выпадающих весной осадков, которые вымывают в водоемы из почвенной толщи много различных элементов, в том числе и металлов. К самым распространенным загрязнителям всех видов вод непроточного вида относятся медь, цинк и свинец.
Из всех групп водных объектов минимальное количество токсикантов содержат подземные воды. Однако в последние годы наблюдается тенденция увеличения их загрязненности, причем в общей массе загрязнителей возрастает доля тяжелых металлов, особенно свинца.
Наиболее вероятными источниками химических загрязняющих веществ являются промышленные, коммунальные и сельскохозяйственные объекты.
5. Влияние интенсификации сельскохозяйственного производства на поступление химических загрязняющих веществ в агроэкосистемы 5.1. Влияние удобрений на содержание тяжелых металлов в почве Нами проведены исследования накопления в почве тяжелых металлов, как при длительном систематическом применении органоминеральных удобрений на фоне разноглубинного размещения, так и в краткосрочных опытах с внесением рекомендуемых норм туков под полевые культуры на ключевых участках в различных агроклиматических районах.
Результаты показывают, что при длительном систематическом применении удобрений содержание валовых форм тяжелых металлов в слое почвы 0-20 см незначительно увеличилось. Наиболее высоким содержание тяжелых металлов было в вариантах с максимальной нормой органоминеральных удобрений. Здесь содержание валовых цинка, меди, кобальта и свинца было большим, чем на контроле соответственно на 13,6-18,2;
20,0-26,7;
8,3-16,7 и 40,0 %.
Содержание подвижного цинка в вариантах с внесением N556 P946 K57 + 65 т навоза и N1157 P1500 K463 + 130 т навоза было больше, чем на контроле на 0,1-0,15 мг/кг или 12-30 %. Более существенным оно было в варианте с внесением максимальной нормы минеральных и органических норм удобрений и обработкой почвы на глубину до 20-22 см, где составляло 0,7 мг/кг почвы.
Содержание подвижной меди более значительным было в вариантах с внесением N1157 P1500 K463 + 130 т навоза и N1799 P2162 K720 + 190 т навоза. Здесь количество ее составило 0,24-0,25 мг, что на 20-25 % больше, чем на контроле.
Подвижных соединений марганца в пахотном слое вариантов стационарного опыта составило от 12 до 15 мг/кг. Больше их было в вариантах с максимальной нормой органо-минеральных удобрений – на 2-3 мг/кг, или 16,7-25,8 %, больше, чем на контроле.
Применение удобрений оказывало некоторое влияние на подвижность тяжелых металлов. Больше этот показатель за счет внесения удобрений изменялся у марганца, менее значительно – у меди. Цинк по степени подвижности за счет применения удобрений занимали среднее положение между марганцем и кобальтом.
Анализ исследований на основных почвах ключевых участков Центрального Предкавказья свидетельствует о том, что внесение под полевые культуры минеральных удобрений в рекомендованных научно обоснованных нормах не приводит к существенному изменению содержания и подвижности тяжелых металлов в пахотном горизонте.
Некоторая тенденция увеличения валового содержания за счет удобрений в пахотном горизонте каштановых почв, южного и обыкновенного тяжелосуглинистых черноземов отмечена у цинка, в темно-каштановых почвах и южном черноземе – меди, в каштановых почвах – марганца.
Содержание подвижной меди за счет удобрений более заметно повышалось в пахотном горизонте черноземов южного и обыкновенного, цинка – в темно каштановой почве, марганца – в обыкновенном черноземе.
Отмечено, что более высокие коэффициенты подвижности меди, цинка и марганца на более богатых гумусом почвах – темно-каштановых почвах, южных и обыкновенных черноземах. Коэффициент подвижности под влиянием удобрений более заметно изменялся у цинка и марганца.
Коэффициент подвижности кобальта снижался от каштановых почв к черноземам. При этом определенной зависимости подвижности кобальта от минеральных удобрений не отмечалось.
5.2. Изменение химического состава продукции растениеводства при применении удобрений Многолетние исследования в стационарных условиях и краткосрочных опытах на ключевых участках в разных агроклиматических условиях региона свиде тельствуют о связи между содержанием ряда тяжелых металлов в почве, внесением удобрений и накоплением их в продукции растениеводства.
В стационарном многофакторном опыте на опытной станции СтГАУ установле но, что содержание свинца в зерне пшеницы в вариантах с применением удобре ний повышалось с 0,25-0,26 до 0,35 мг, но без закономерной от величины вносимых доз. Это, вероятно, связано с тем, что действие используемых удобрений носит не прямой, а опосредованный характер.
Отмечалась четкая зависимость содержании в зерне пшеницы цинка от нормы удобрений – больше его было в вариантах с внесением их повышенных и высоких норм.
Содержание меди в зерне пшеницы с внесением удобрений увеличивалось на 0,05-1,0 мг/кг и при этом содержание её не зависело от их нормы. Эта же закономерность отмечалась и в содержании в зерне кобальта – в вариантах с удобрениями его в урожае зерна было на 0,01-0,02 мг/кг больше.
Кадмия в зерне пшеницы обнаружено не более 0,05 мг/кг, на отдельных вариантах, как с применением удобрений, так и без них отмечались лишь его «следы».
Результаты краткосрочных опытов показали, что применение умеренных норм удобрений под сельскохозяйственные культуры в различных агроклиматических районах региона на ключевых участках не оказывало существенного влияния на содержание тяжелых металлов и радионуклидов, как в основной, так и в побочной части растительной продукции.
В целом результаты исследований свидетельствуют, что при использовании удобрений основными источниками поступления в растения являются: цинка — навоз, свинца — фосфорные удобрения, меди — органические и фосфорные удобрения, кадмия — фосфорные и калийные удобрения.
Применение оптимальных научно-обоснованных норм удобрений под сельскохозяйственные культуры не вызывает избыточного накопления в продукции растениеводства тяжелых металлов и радионуклидов.
Хотя результаты анализов и позволяют утверждать, что химизация земледелия не ведет к интенсификации загрязнения почв и продукции тяжелыми металлами и радионуклидами, тем не менее контроль за их содержанием в объектах окружающей среды региона необходим.
5.3. Влияние мелиорантов на химическое загрязнение агроэкосистем Для химической мелиорации солонцовых земель в качестве основного мелиоранта в Центральном Предкавказье применяют фосфогипс.
Фосфогипс, применяемый для химической мелиорации солонцовых земель, благодаря содержанию в нем фосфора и серы является удобрением, а его кислая реакция в условиях региональных почв способствует лучшему усвоению растениями питательных веществ. Это открывает возможности для рационального использования фосфорных удобрений на мелиорируемых землях и обусловливает необходимость разработки специальных систем удобрений в зависимости от используемых мелиорантов и особенностей воздействия на пищевой режим.
Тем не менее существует опасение загрязнения почв и сельскохозяйственной продукции, а в условиях орошения еще и к загрязнению сбросных, дренажных и грунтовых вод в связи с присутствием в фосфогипсе фтора и ряда тяжелых металлов.
Установлено, что содержание водорастворимого фтора в почве находится в прямой зависимости от обменного натрия и величины рН. Увеличению содержания фтора способствует щелочная среда и подвижный натрий, образующий с фтором хорошо растворимый фторид. При мелиорации солонцов фосфогипсом вытесненный из почвенного поглощающего комплекса натрий взаимодействует с фтором и быстро мигрирует вниз по профилю (для этого должны быть созданы благоприятные условия глубоким рыхлением).
Установлено, что расчетные дозы фосфогипса не увеличивали содержание фтора в почве. Отмечено лишь незначительное его повышение в иллювиальном горизонте на варианте с двойной дозой фосфогипса (0,030 %) по сравнению с контрольным вариантом (0,020-0,022 %).
В связи с наличием фтора в мелиоранте, нами изучено его накопление в растениях, в частности, в зерне озимой пшеницы. Установлено, что содержание фтора в зерне озимой пшенице колеблется от 0,0006 % на контроле до 0,0008 0,0012 % (или 8-12 мг/кг) на мелиорируемых участках, что ниже предельно допустимой концентрации на продукты питания, составляющей 15 мг/кг.
Таким образом, применение фосфогипса не оказывает существенного влияния на содержание фтора в почве и зерне озимой пшеницы.
6. Экологическое нормирование и фоновое содержание химических загрязняющих веществ в почвах Центрального Предкавказья 6.1.Основные принципы экологического нормирования В работе рассмотрены следующие принципы нормирования, которые были использованы при установлении фонового содержания химических загрязняющих веществ в почвах агроэкосистем Центрального Предкавказья.
Прежде всего это:
необходимость оценки общей зависимости между состоянием природной – среды и антропогенным воздействием на агроэкосистемы химических загрязняющих веществ («состояние — воздействие»);
определение устойчивости агроэкосистем к антропогенному воздействию в – зависимости от конкретных природных условий;
выбор наиболее информативных показателей (химических, физических, – биологических) оценки качества агроэкосистемы и воздействия на нее;
ранжирование значений, характеризующих качество агроэкосистемы и – воздействие на нее, по мере нарастания потери качества и антропогенного воздействия;
определение допустимого экологического состояния агроэкосистемы и – допустимого воздействия на нее с учетом природных условий и типа хозяйственного использования территорий;
обоснование «элементарного участка» обследования;
– выбор аналитических методов оценки состояния агроэкосистем и уровня – антропогенного воздействия.
При определении зависимости «состояние — воздействие» нами учитывалось мнение большинства ученых, работающих в области оценки воздействия на природную среду антропогенных факторов. Такая зависимость носит нелинейный характер, и описывается так называемой теорией катастроф, где катастрофами называются скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий.
6.2. Фоновое содержание тяжелых металлов, радионуклидов и нефтяных углеводородов в почвах агроэкосистем В настоящее время общепринятым методом экологического нормирования загрязнения почв химическими веществами является установление предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно допустимых концентраций (ОДК).
Систему контроля загрязненности почв на основе гигиенической регламентации нельзя признать совершенной. Существуют большие трудности в интерпретации и объективной оценке загрязненности тяжелыми металлами, для которых не разработаны нормативы (молибден, вольфрам, стронций и др.) либо разработаны только для подвижных или только для валовых форм. Также отсутствуют достаточное количество показателей вредности для ряда тяжелых металлов и региональные значения для многих элементов.
В связи с этим является актуальным определение природного или фонового содержания тяжелых металлов, которое позволит оценивать их содержание в почвах параллельно с ПДК, ОДК.
Нами были проведены исследования по определению фонового содержания тяжелых металлов в почвах Центрального Предкавказья в пахотном слое семи агроклиматических районов.
Фоновые уровни содержания тяжелых металлов в почвах агроэкосистем разных агроклиматических районов отличаются, причем заметна общая тенденция увеличения фоновых значений от первом районе последовательно к шестой и некоторое снижение в седьмой (табл. 10).
Таблица 10 — Фоновое содержание тяжелых металлов в почвах агроэкосистем Центрального Предкавказья, мг/кг Агроклимати Cu Zn Mn Co Cd Pb Ni ческий район I 11,1±2,2 39,2±7,3 198±59 5,6±0,4 0,40±0,06 10,5±1,2 25,0±2, II 15,7±0,9 44,6±2,2 336±28 6,9±0,3 0,44±0,03 11,9±0,5 27,6±2, III 14,8±0,9 42,2±2,4 346±17 6,9±0,4 0,44±0,03 11,9±0,5 28,0±1, IV 16,7±1,7 42,9±2,6 354±21 7,4±0,7 0,48±0,03 12,7±0,7 29,2±2, V 21,6±2,6 49,1±2,8 372±31 8,8±1,2 0,59±0,08 14,7±1,0 32,6±2, VI 24,0±6,0 48,4±5,3 391±54 9,3±2,3 0,62±0,06 14,4±2,2 33,5±5, VII 14,8±5,0 49,4±10,5 298±98 8,4±5,1 0,52±0,06 14,1±8,8 30,5±15, Эту закономерность можно объяснить тем, что валовое содержание элементов в незагрязненных почвах обусловлено их содержанием в материнской породе, генезисом, процессами почвообразования. Кроме того, содержание элементов в почве связано с реакцией почвенной среды, содержанием в почве органического вещества, биологическим круговоротом элементов, гранулометрическим соста вом, процессами миграции элементов в почвенном профиле, разнообразием видового состава растительного покрова.
Подавляющая часть территории региона, за исключением предгорий с горами лакколитами сложена породами и почвами, обладающими низким уровнем радиоактивности. Соответственно при радиационном мониторинге вся обследуемая территория попадает в 1 группу и возникает необходимость в более дифференцированной оценке радиологического состояния почв при содержании радионуклидов ниже допустимого уровня.
Поэтому было установлено фоновое содержание радионуклидов 90Sr и 137Cs в почвах Центрального Предкавказья на основе локального мониторинга на реперных участках, заложенных на незагрязненной территории (табл. 11 ).
Таблица 11 – Фоновое содержание радионуклидов стронция-90 и цезия- в почвах Центрального Предкавказья, Бк/кг 90 Агроклиматический район Sr Cs I 3,1±1,4 15,6±5, II 2,8±1,0 13,5±3, III 2,6±1,0 11,7±2, IV 3,0±0,5 12,1±1, V 2,9±0,9 11,6±1, VI 2,1±0,8 11,3±1, VII 4,1±0,2 26,2±0, Допустимый уровень 46,3 Один из важных вопросов диагностики и нормирования нефти и нефтепродуктов в почвах – распознавание среди углеводородных продуктов почвообразования нефтяных компонентов, внедрившихся в почвенную среду с техногенными потоками.
Уровни фоновых концентраций углеводородов неодинаковы для почв различных природных комплексов. Кроме того, для каждого нефтедобывающего района (даже в однотипных биоклиматических условиях) существует свой фон содержания нефтяных углеводородов.
Установлено, что максимальное фоновое содержание характерно для песков и светло-каштановых песчаных почв. Также более высокое значение фона характерно для черноземов по сравнению с каштановыми почвами. В песках и всех подтипах каштановых почв варьирование в содержании углеводородов наименьшее (коэффициенты вариации составляют 12-24%). В черноземах и, особенно, в аллювиальных почвах оно выше (коэффициенты вариации 35 % и 48 % соответственно) (табл. 12).
Таблица 12 – Фоновое содержание углеводородов в почвах Центрального Предкавказья, слой 0-20 см, мг/кг Почвы Пески и светло- Светло- Темно- Чернозе- Черноземы Каштано- Аллюви каштановые каштано- каштано- мы юж- обыкновен вые альные песчаные вые вые ные ные 261±63 124±23 177±21 125±30 197±67 207±85 155± 6.3. Нормы допустимого остаточного содержания нефти в почвах агроэкосистем При нормировании допустимого остаточного содержания нефтяных углеводо родов в почвах агроэкосистем Центрального Предкавказья наиболее приемлемым критерием является интегральный показатель фитотоксичности – это пороговый уровень содержания углеводородов в почве при котором может проявиться их негативное влияние на прорастание семян, рост и развитие самих чувствительных сельскохозяйственных растений.
Исследованиями установлено, что отрицательное влияние на всхожесть оказывают только высокие концентрации нефти порядка 8-32 г/кг, тогда как снижение наземной массы растений наблюдается уже при концентрациях 2000 мг/ кг нефти в почве.
В черноземе статистически значимое снижение всхожести, как ячменя, так и рапса отмечено при концентрации нефти 32 г/кг, причем снижение всхожести ячменя составило 42 % от контрольного, а рапса – 85 % от контрольного.
В каштановой почве статистически значимое снижение всхожести ячменя, составляющее 38 % от контрольного наблюдается при концентрации нефти 8 г/кг.
Статистически значимых различий во всхожести рапса не отмечено (табл. 13).
Таблица 13 – Концентрация нефти в почвах, влияющая на рост и развитие растений, г/кг Максимальная Минимальная концентрация, не концентрация, Почва Культура Показатель влияющая на данный ухудшающая данный показатель показатель Всхожесть 16 Ячмень Масса растений 1 Чернозем Всхожесть 16 Рапс Масса растений 1 Всхожесть 4 Ячмень Масса растений 1 Каштановая Всхожесть 32 Рапс Масса растений 1 Минимальная концентрация, при которой наблюдается статистически значимое снижение массы наземной части растений ячменя и рапса, и в черноземе, и в каштановой почве составляет 2 г/кг почвы. В черноземе снижение массы для ячменя составило 40 %, для рапса – 48 %, в каштановой почве соответственно 39 % и 52 %. Для более низких концентраций нефти (2 г/кг) различия в массе наземной части растений составляют 5-14 % от контроля и статистически не значимы. Таким образом, максимальной концентрацией нефти, не влияющей на рост и развитие растений, как в черноземе, так и в каштановой почве является значение 1 г/кг.
Для практического использования результатов опытов определялась зависимость между количеством внесенной в почву нефти и содержанием углеводородов.
В качестве региональных нормативов предложено использовать содержание углеводородов, определяемых методом инфракрасной спектрометрии, соответствующее концентрации нефти в почвах, равной 1000 мг/кг.
Согласно полученным уравнениям регрессии, в черноземе данной концентрации нефти соответствует содержание углеводородов 600 мг/кг, в каштановой почве – 1000 мг/кг.
7. Исследование техногенных аномалий в Центральном Предкавказье По загрязнению почв Центрального Предкавказья выделяются три основных источника формирования аномалий в распределении химических элементов:
природный, техногенный и сельскохозяйственный. Природные источники обусловлены геохимическими особенностями почвообразующих пород, содер жащих повышенное количество тяжелых металлов. Сельскохозяйственное загрязнение проявляется при нарушении правил хранения, транспортировки и применения средств химизации, однако этот источник загрязнения не является доминирующим. Больше загрязняют техногенные источники, к которым относятся различные населенные пункты, транспортные коридоры авиации, автотранспортные магистрали, промышленное производство.
В различных агроклиматических районах региона почвы имеют разную техногенную нагрузку, зависящую от географического положения, близости техногенных источников загрязнения. Кроме того природно-климатические условия характеризуются большим разнообразием и сложностью, что обуславли вает различное содержание и накопление тяжелых металлов в почвах региона.
По результатам исследований установлено, что содержание тяжелых металлов в почвах подавляющей части региона не превышает допустимых концентраций (табл. 14). Отдельные загрязнения почвы тяжелыми металлами носят локальный характер. В основном это касается почв легкого гранулометрического состава и почв, на которых возделываются многолетние насаждения.
Для изучения степени загрязнения почв экологически опасных районов нами были исследованы образцы почв в пяти пунктах, находящихся на разном удалении от крупных источников загрязнения. Многолетний мониторинг промзоны г.
Невинномысска показал локальное загрязнение почвы, связанное с высокой аэротехногенной нагрузкой данной территории.
В промзоне г. Невинномысска сосредоточены крупные предприятия химической промышленности, а также Невинномысская ГРЭС, выбрасывающие свыше наименований химических веществ, способных образовать комплексы токсикантов.
Таблица 14 – Распределение площади сельскохозяйственных угодий Центрального Предкавказья по содержанию тяжелых металлов и мышьяка по состоянию на 01.01.2009 г.
Распределение площади по содержанию тяжелых металлов и мышьяка Обследо Токсич- 0,5 ПДК (ОДК) 0,5-1,0 ПДК (ОДК) 1,0 ПДК (ОДК) ванная ный % от % от % от площадь, элемент обсле- обсле- обсле тыс. га тыс. га тыс. га тыс. га дованной дованной дованной площади площади площади Pb 3593,8 3593,8 100,00 - - - Cd 3593,8 3584,1 99,73 9,7 0,27 - Ni 3489,9 2900,2 83,1 589,2 16,88 0,5 0, Cr 844,1 844,1 100,00 - - - Zn 3593,8 3480,4 3593,8 - - - Co 1863,4 1863,4 100,00 - - - Cu 3593,8 3583,0 99,7 9,4 0,26 1,4 0, As 1449,9 396 27,31 1051,9 72,55 2 0, Hg 1436,8 1436,8 100,00 - - - Mn 1971,2 1971,2 100,00 - - - Были зафиксированы случаи превышения ОДК кадмием в почве всех пунктов, а также медью в почве, прилегающей к автодороге Ростов - Баку и заводу бытовой химии. При этом установлено, что по содержанию тяжелых металлов в почве они образуют следующий ряд в порядке убывания концентрации: Cu, Zn, Pb, Ni, Cd.
Анализ динамики содержания токсикантов выявил увеличение содержания меди в почве территории, расположенной в 300-350 м к северу от Невинномысского завода. В содержании остальных металлов в почве всех пунктов заметна тенденция к снижению.
Видовое разнообразие растительности закономерно возрастает с удалением от источника выбросов. Нарушения вызванные антропогенной нагрузкой можно представить антроподинамической дигрессией.
Содержание тяжелых металлов в растениях, произрастающих в этих условиях, зависит от содержания их в почве. Отмечаются превышения максимально допустимого уровня (МДУ) по свинцу, кадмию, никелю и цинку. Наиболее часто превышали (МДУ) Zn и Pb.
По уровню накопления в растениях тяжелые металлы можно расположить в следующий убывающий ряд: подорожник большой, кардария крупковидная, пастушья сумка, пырей ползучий, ячмень заячий, ромашка ободранная, дрема белая тысячелистник обыкновенный.
Центральное Предкавказье является регионом с развитой газовой промышлен ностью. Здесь находится крупнейшее в Европе подземное хранилище газа с сопутствующей инфраструктурой.
Нами были проведены исследования по изучению влияния газового комплекса на состояние почвенного покрова в районе неустойчивого увлажнения.
Обследовалась почва в районе четырех эксплуатационных скважин после проведения ремонтно-профилактических работ.
По результатам исследований установлено превышение норматива по содержа нию валового никеля – 82,2 мг/кг почвы при ОДК 80,0 мг/кг почвы. Содержание в почве валовых форм меди, цинка, марганца, кобальта и подвижных форм металлов не превышало нормативов. Зависимости содержания валовых и подвиж ных форм тяжелых металлов от расстояния и скважины не прослеживается.
Также проводилось определение фитотоксичности почвы по двум тестовым растениям: пшенице мягкой (Tritikum aestivum L.) и кресс-салату (Lepidium sativum L.).
В ходе тестирования вывлено, что всхожесть озимой пшеницы на исследуемой почве ниже в 1,1 раза по отношению к фоновой почве. В даль нейшем у озимой пшеницы из проросших семян прослеживается отставание в росте и развитии. Так длина проростков в 1,5, количество корешков в 1,3, длина корешков в 1,4 раза меньше в сравнении с фоновой почвой.
Тестирование кресс-салата показали, что длина проростков и количество корешков от условий тестирования не зависят, однако происходит угнетение корневой системы, что выражается в уменьшении длины корешков в 1,37 раза, то есть в ходе развития проростков происходит угнетение растений, которое может привести к снижению урожайности.
Особо охраняемый эколого-курортный регион Российской Федерации Кавказские Минеральные Воды по праву считается уникальным по богатству курортных ресурсов. Однако агроценозы этого региона испытывают антропогенную нагрузку от автомобильного и железнодорожного транспорта, промышленных предприятий.
В пределах административных границ КМВ функционирует международный аэропорт, разветвленная сеть автодорог, промышленные предприятия, сооружения коммунального хозяйства. Выбросы вредных веществ в атмосферу от предприятий оказывают воздействие на почву, которая способна накапливать токсичные соединения.
Агроэкологический мониторинг региона КМВ включал в себя сплошные агроэкологические обследования сельхозпредприятий региона, курортов Ессентуки и Пятигорска, локальный мониторинг на сети постоянных участков, включавшей Кисловодский и Пятигорский курортные парки.
Агроэкологическая оценка состояния почв региона в целом удовлетворительная. На 92 % обследованной территории содержание в почве валовых и подвижных форм тяжелых металлов ниже ОДК и ПДК. Отдельные факты загрязнения почв носят локальный характер. На территории СПК «Минераловодский» на площади около 2000 га содержание валового кадмия превышает ОДК. Незначительные ареалы площадью порядка 10 га с высоким содержанием тяжелых металлов обнаружены вдоль автодороги Ессентуки – Суворовская (превышение ОДК валовым кадмием), ГУП «Терконзавод №169» (превышение валовым кадмием), а также в ОАО «Бештау-Темпельгоф» (превышение по валовой и подвижной меди).
Источником поступления в почвы меди, по-видимому является медьсодержащие пестициды, применяемые при обработке виноградников.
Высокое содержание кадмия в почвах может быть связано с особенностями геологического строения региона, сложенного породами, содержащими высокое количество тяжелых металлов, хотя антропогенный фактор тоже нельзя полностью исключать.
Обследование курортов Ессентуки и Пятигорска показало, что почвы большей части их территории также незагрязнены. Однако, в отличие от земель сельхозназначения, отдельные случаи превышения ОДК и ПДК здесь встречаются чаще. Это подвижные формы свинца, цинка, меди и нефтепродукты.