Вероятные источники поступления химических примесей в атмосферные осадки в степном Крыму Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 504.37.054(477.75)

ВЕРОЯТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОСТУПЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРНЫЕ ОСАДКИ В СТЕПНОМ КРЫМУ

Юрий Владимирович Плугатарь, Ольга Евгеньевна Клименко

Никитский ботанический сад - Национальный научный центр 298648, Республика Крым, г. Ялта, пгт Никита [email protected]

Приведены зависимости концентрации основных загрязняющих ионов в атмосферных осадках степного Крыма (Степное отделение НБС - ННЦ), рассчитанные на основе данных мониторинга, проведенного в 1994 - 2005 гг. На основании корреляционного и факторного анализов выявлены природные и антропогенные источники загрязнения атмосферных осадков, связанные с дальним переносом примесей и с поступлением их из местных источников.

Ключевые слова: атмосферные осадки; загрязнение; дальний перенос; степной Крым.

Введение

Загрязнение атмосферных осадков химическими примесями может быть связано как с природными, так и антропогенными процессами, с местными источниками и дальним переносом загрязнения. Природными источниками загрязнения могут быть: эрозия почв, процессы денитрификации в почве, перенос солей с побережий при пересыхании соленых озер и др. К антропогенным источникам относятся: сжигание топлива, выбросы промышленных предприятий, внесение химических удобрений и пестицидов, выхлопы автотранспорта и др. Накопление химических примесей в атмосферных осадках зависит от местных условий, глобального переноса веществ, направления и силы ветра, времени года, синоптической ситуации и т.д. [6, 7, 9].

В степном сельскохозяйственном районе центрального равнинного Крыма нередко наблюдается подкисление атмосферных осадков, связанное с их загрязнением [2]. В связи с этим важно выявить источники поступления химических примесей в атмосферные осадки для оценки и прогноза дальнейших изменений.

Целью исследования было изучить возможные источники поступления химических примесей в атмосферные осадки степного Крыма в зависимости от периода исследований и времени года.

Объекты и методы исследования

Мониторинговые исследования химического состава атмосферных осадков (дождь, снег, град и др.) проводили с 1995 по 2008 г. после каждого их выпадения суммой 2 мм и более на открытой площадке, примыкающей к большому массиву коллекционно-селекционных и промышленных насаждений плодовых культур Степного отделения Никитского ботанического сада - Национального научного центра (СО НБС - ННЦ). Осадки собирали при помощи специально изготовленного полиэтиленового сборника [5], который помещали на металлической подставке высотой 1,2 м от поверхности почвы. В осадках на протяжении всего периода наблюдений определяли концентрацию ионов КЙ4+, SO42-, и С1-. В 2004 и 2005 гг. состав химических примесей в атмосферных осадках изучали более подробно с определением концентрации ионов №+, Са2+, Mg2+ и НСО3- [5].

Количество отобранных за год проб осадков колебалось от 14 до 52 в зависимости от их годовой суммы. На основании полученных исходных данных рассчитывали среднемесячные взвешенные на объем осадков и среднегодовые

величины концентраций ионов. В связи с тем, что состав осадков в холодный (ноябрь-апрель) и теплый (май-октябрь) периоды года значительно различался, ежегодно рассчитывали средние количества примесей за эти периоды.

Для изучения тенденций в изменении химического состава атмосферных осадков во времени весь период наблюдений был подразделен на две части: первая - с 1995 по 2000 г., когда концентрации большинства ионов химических примесей были более высокими, вторая - с 2001 по 2008 г. с более низкими среднегодовыми концентрациями загрязняющих ионов.

Данные химического состава осадков были обработаны с применением корреляционного и факторного анализов (Statistica 06), и с их помощью были выявлены сходные источники поступления в осадки различных ионов.

Результаты и обсуждение

Корреляционный анализ среднемесячных взвешенных на объем осадков данных

за весь период наблюдений показал достоверную корреляционную связь между

2 +

концентрациями ионов N0;?" и SO4 ", а также КН4 и N0?", что указывает на сходные источники их поступления в осадки (табл. 1).

Таблица 1

Коэффициенты корреляции между концентрациями ионов в осадках по среднемесячным взвешенным на объем осадков данным, СО НБС — ННЦ, 1995 - 2006 гг.

Показатели SO42" NO3" СГ

Весь год (n = 98)

NO3" 0,35***

СГ -0,04 0,19

nh4+ 0,17 0,22* -0,01

Холодный период (n = 51)

NO3" 0,37**

СГ -0,05 0,18

nh4+ 0,29* 0,13 -0,14

Теплый период (n = 47)

NO3" 0,36*

СГ 0,04 0,19

nh4+ 0,04 0,34* 0,21

Примечания * корреляционная связь существенна, р < 0,05; ** то же, р < 0,01; *** то же, р < 0,001.

2

В первом случае, вероятно, накопление ионов N0?" и S04 " в осадках связано с

дальним переносом выбросов промышленных предприятий юга и центра Украины.

Тесная корреляция между ионами КН4+ и N0?" показывает, что источниками их

поступления в осадки могут быть почвы, удобрения, животноводческие фермы и

другие сельскохозяйственные объекты.

Если рассмотреть данные корреляционные зависимости по периодам года, то в

холодный период более тесные и достоверные из них установлены между содержанием 2 2 + ионов N0?" и S04 ", как и в целом за год, а также между ионами S04 " и КН4 , которые

образуют кислую соль (КН4)^04. Это свидетельствует о местном их происхождении,

так как источником сульфата аммония в осадках могут быть рассеянные в атмосфере

частицы золы и аммонийных удобрений [1, 4].

В теплое время года, в целом за весь период наблюдений, кроме тесной

2 + достоверной связи ионов N0?" и S04 ", достоверной является также связь ионов МН4 и

N0?". Эта связь характеризует источник поступления этих ионов в осадки местного

происхождения, связанный с внесением нитрата аммония как удобрения именно в

теплый период года. Источником поступления соли N^N03 в осадки могут быть также естественные процессы жизнедеятельности микроорганизмов, присутствие животноводческих комплексов и другие [4].

Если проанализировать зависимости между концентрациями различных ионов в атмосферных осадках за два периода наблюдений, то видно, что в эти два периода теснота связей и взаимоотношения между ионами менялись (табл. 2).

Таблица 2

Коэффициенты корреляции между концентрациями различных ионов в атмосферных осадках по

периодам наблюдений, СО НБС- ННЦ

Ионы SO42" NO3" СГ

1995 - 2000 гг. (n = 52)

NO3" 0,43** - -

СГ 0,34* 0,62*** -

nh4+ 0,23 0,13 0,28*

2001 - 2008 гг. (n = 46)

NO3" 0,31* - -

СГ -0,09 0,01 -

nh4+ 0,12 0,35* -0,20

* см. примечание к табл. 1.

Так, в первый период наблюдений (1995-2000 гг.) связь между ионами N0;?" и Б042" была более тесной, чем за весь период исследований. В этот период обнаружена средняя достоверная зависимость между концентрациями ионов S042" и С1", что свидетельствует о совместном поступлении этих ионов в осадки, обусловленном переносом аэрозолей с морских побережий и лиманов.

Средняя достоверная связь между концентрациями ионов N0?" и С1" показывает одинаковый источник их поступления в осадки, связанный с сельскохозяйственной деятельностью на засоленных почвах. Установлена также достоверная зависимость ионов КН4+ и С1", что связано с образованием соли КН4С1, которая также может способствовать подкислению осадков [2] и поступает из местных источников.

В период наблюдений с 2001 по 2008 гг. отмечены достоверные корреляционные связи ионов N0?" и S042", а также КН4+ и N0?" подобные тем, что получены для всего срока наблюдений, но в этот период они стали более тесными.

Что касается поступления химических примесей в осадки в разные периоды исследований и периоды года, то в первые шесть лет в холодный период установлена еще более тесная положительная зависимость между ионами С1" и N0?" (табл. 3). Этого не происходило во второй период наблюдений (2001-2008 гг.), что говорит о временном источнике поступления этих ионов в осадки. Во второй период наблюдений в холодное время года на первое место выступает достоверная связь между концентрациями ионов N0?" и S04 ", которая характеризует сходный источник их поступления в осадки, связанный с дальним переносом загрязняющих веществ [3].

В теплое время года первого периода наблюдений установлены еще более тесные, чем за весь год, зависимости между ионами, связанные как с дальним переносом промышленного загрязнения, так и с местными источниками, такими, как пыль, поднятая с полей, применение удобрений, близость животноводческих ферм.

Во второй период наблюдений в теплое время года сходный источник происхождения имели лишь ионы и N03", что говорит о местном источнике их

происхождения и ослаблении влияния промышленных выбросов во времени в теплый период года, что подтверждается данными наблюдений в промышленных городах юго" востока Украины [7].

Таблица 3

Коэффициенты корреляции ионов в осадках за два периода наблюдений в теплое и холодное время

года, СО НБС — ННЦ

Ионы SO42" NO3" СГ SO42" NO3" СГ

1995-2000 гг.

период холодный (n = 26) теплый (n = 26)

NO3" 0,25 - - 0,76*** - -

СГ 0,21 0 64*** - 0,59** 0,58** -

nh4+ 0,28 0,08 0,14 0,19 0,19 0,45*

2001-2008 гг.

период холодный (n = 25) теплый (n = 21)

NO3" 0,65*** - - 0,09 - -

СГ 0,05 0,03 - -0,11 -0,02 -

nh4+ 0,31 0,20 -0,26 -0,11 0,58** 0,06

* см. примечание к табл. 1.

Факторный анализ данных позволяет качественно идентифицировать источники поступления химических примесей в атмосферные осадки в данном регионе и их значимость. Такой анализ использовался многими авторами для идентификации источников загрязнения [8, 10, 11]. Этот анализ нам удалось провести для данных, полученных в 2004-2006 гг., когда химический состав атмосферных осадков изучался более подробно.

В табл. 4-6 приведены показатели факторных нагрузок, которые можно интерпретировать как корреляции между факторами и переменными -концентрациями десяти ионов. Достоверными приняты коэффициенты корреляции более 0,70. Данные анализа показывают, что для целого года выделено четыре фактора, которые имеют собственные значения больше единицы. В целом за весь период наблюдений эти факторы определяют 68,7% случаев загрязнения осадков (табл. 4).

Таблица 4

Результаты факторного анализа данных химического состава атмосферных осадков в СО НБС- ННЦ в целом за год, 2004-2006 гг.

Ионы Фактор 1 Фактор 2 Фактор 3 Фактор 4

кн4+ -0,059 -0,010 -0,903 0,085

к+ 0,256 0,518 -0,565 0,039

н+ 0,052 -0,038 0,069 -0,945

Са2+ 0,802 -0,105 0,103 -0,022

Мм2+ 0,617 0,093 -0,028 0,182

№+ 0,125 0,840 0,064 -0,017

8042" 0,813 0,059 0,014 0,073

N03" 0,827 0,169 -0,105 -0,206

НСОз" 0,514 -0,237 -0,328 0,408

С1" -0,112 0,788 0,044 0,049

Доля общая 0,273 0,171 0,128 0,115

Доля куммулятивная 27,3 44,4 57,2 68,7

На первый фактор, доля которого составляет 27,3% случаев, оказывали существенную нагрузку концентрации ионов нитрата и сульфата, которые характеризуют антропогенные источники поступления поллютантов в осадки. Кальций также оказывал влияние на этот фактор. Его происхождение связано как с антропогенными (выбросы цементных заводов, пыль грунтовых дорог), так и природными источниками: выветривание и ветровая эрозия щелочных почв. Второй фактор, составляющий 17,1% случаев, объясняет загрязнение осадков ионами натрия и хлора, которые являются составной частью аэрозолей морского происхождения.

Фактор третий, определяющий 13% случаев, имеет существенную нагрузку для иона КН4+ и довольно значительную, хотя и недостоверную, для иона калия (г = -0,565), а также ощутимую для иона НС03" (г = -0,328), что может означать загрязнение осадков почвенной пылью, образующейся при выветривании щелочных карбонатных почв. Знак минус для всех трех выделенных переменных в данном случае означает, что переменные с одинаковыми знаками взаимодействуют с этим фактором однонаправленно.

Четвертый фактор с долей составляющей 12% случаев имеет существенную нагрузку только для иона водорода. Это показывает, что свободная кислота, возможно, характеризует кумулятивный эффект всех кислото- и щелочеобразующих ионов в осадках.

В связи с различным составом осадков в различные периоды года, рассмотрим источники загрязнения осадков в холодное (табл. 5) и теплое (табл. 6) время года.

Таблица 5

Результаты факторного анализа данных химического состава атмосферных осадков в СО НБС- ННЦ, холодный период, 2004-2006 гг.

Ионы Фактор 1 Фактор 2 Фактор 3

кн4+ 0,177 -0,754 -0,109

к+ 0,686 -0,234 0,043

н+ 0,091 0,474 -0,598

Са2+ -0,109 0,891 0,005

мг 0,248 -0,142 -0,649

№+ 0,842 -0,001 -0,145

8042" 0,445 0,498 0,198

N03" 0,496 0,555 -0,221

НСОз" 0,124 0,083 0,806

С1" 0,772 -0,092 0,116

Доля общая 0,234 0,223 0,156

Доля куммулятивная 23,5 45,8 61,4

Для холодного периода года в первом факторе, доля влияния которого составляет 23,5%, доминирует вклад ионов натрия и хлора. Они поступают в осадки из морских аэрозолей, а также из хлорида натрия (техническая соль, галлит), используемого как антигололедное средство на дорогах в зимнее время года. Во втором

и третьем факторах определяющих 37,9 % случаев загрязнения, наибольшую и

+ 2+

существенную нагрузку несут ионы КН4 , Са и НС03", которые характеризуют антропогенные (животноводческие комплексы, внесение удобрений) источники, характерные для сельскохозяйственного района.

В теплый период года первый фактор, общая доля которого составляет 34,6%, определяется значительным вкладом кислотообразующих ионов S042" и N0^, которые имеют антропогенное происхождение (табл. 6). Существенный вклад в загрязнение осадков в этом факторе имеют ионы кальция и магния, которые образуют с ионами

нитрата и сульфата кислые соли, а также ион НС03", который в составе угольной кислоты также способен подкислять осадки. Во втором факторе, который составляет 17% общего количества случаев, существенную нагрузку имеет только ион КН4+, который связан с местными источниками загрязнения осадков и характеризует большее поступление этого иона в осадки в теплое время года. Источником аммонийного иона могут служить как животноводческие комплексы, так и процессы аммонификации, происходящие в почве.

Таблица 6

Результаты факторного анализа данных химического состава атмосферных осадков, СО НБС- ННЦ, теплый период 2004-2006 гг.

Ионы Фактор 1 Фактор 2 Фактор 3

КН4+ 0,073 0,736 -0,430

К+ 0,335 0288 0,433

Н+ -0,078 -0,672 -0,318

Са2+ 0,800 0,202 0,153

мГ 0,745 0,191 0,197

0,107 -0,059 0,872

8042" 0,903 -0,171 -0,068

N03" 0,932 0,157 0,097

НСОз" 0,668 0,602 0,053

С1" 0,010 -0,350 -0,235

Доля общая 34,60 16,96 13,68

Доля куммулятивная 34,6 51,6 65,2

Третий фактор, составляющий 14% в общем числе случаев, в большей мере связан с ионом натрия. Этот ион определяет природный фактор загрязнения, связанный с переносом аэрозолей сульфатов и хлоридов натрия с морских побережий, интенсивность которого возрастает в теплое время года при пересыхании прибрежных территорий Сиваша, соленых озер и лиманов.

Выводы

Источники поступления ионов в осадки в степном Крыму могут быть как антропогенными, так и природными, причем их влияние зависело от периода года и изменялось за время исследований.

Загрязнение осадков ионами К03" и SO4 " связано с антропогенными источниками, как местного происхождения, так и отдаленными промышленными выбросами, причем их поступление было более существенным в первый период исследований в теплое время года, в последние годы интенсивность его снижалась.

К местным антропогенным источникам следует отнести поступление в осадки ионов КН4+, К03", Б042" и СГ. Это внесение удобрений, присутствие животноводческих комплексов, частиц золы, пыли и др. Такое загрязнение в большей мере проявляется также в теплое время года.

К природным источникам поступления в осадки загрязняющих ионов относится выветривание минералов и ветровая эрозия щелочных почв, что определяется достоверными связями ионов КН4+, НС03", Са2+ и Mg2+. Данный источник загрязнения имеет большее проявление в теплый период года.

Мощным источником минерализации атмосферных осадков являются морские аэрозоли, которые определяют появление и тесную связь ионов Ка+ и СГ в осадках. В большей мере это влияние проявляется в холодный период года при усилении морских штормов.

Список литературы

Загрязнение воздуха и жизнь растений / под. ред. М. Трешоу; пер. с англ. В. И. Егорова и др. - Л. : Гидрометеоиздат, 1988. - 536 с.

Клименко О. Е. Зависимость степени подкисления атмосферных осадков от химического состава их примесей // Экологические проблемы садоводства и интродукции растений. - Никитск. ботан. сад : труды. - Ялта, 2008. - Т. 130. - С. 7682.

Криваковська Р.В., Харитонов М.М., Хлопова В.М. Картографування забруднення атмосфери двооксидом азоту та арки в шдус^альних мютах дншропетровсько!' обласп // Еколопчна безпека. - 2013. - № 2 (16). - 32-35.

Лавриненко Р. Ф. К вопросу о формировании химического состава атмосферных осадков // Естественные и антропогенные аэрозоли: 3-я междунар. конф. : материалы.

- Л. : НИИХ СПбГУ, 2003. - С. 13-35.

Методические рекомендации по сбору и анализу атмосферных осадков для контроля состояния окружающей среды / составил Л. К. Щербатюк. - Ялта, 1985. - 17 с.

Михаленок Д.К. Влияние моря на содержание сульфатного и других ионов в атмосферных осадках приморской полосы горного Крыма // Заповщна справа Украши.

- 1996. - № 2. - С. 64-69.

Станкевич С.А., Титаренко О.В., Харитонов Н.Н., Хлопова В.Н. Картирование загрязненности атмосферы Приднепровского промышленного района диоксидами азота и серы с использованием спутниковых данных // Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine. - 2013. - № 3. - С. 106-111.

Avila A., Alarcdn M. Relationship between precipitation chemistry and meteorological situation at a rural site in NE Spain // Atmos. Environ. - 1999. - V. 33. - P. 1663-1677.

Patel K.S., Ambade B., Nicolás J., Yubero E. Chemical characteristics of rainwater in central India // Еколопя i природокористування. - 2009. - Вип. 12. - Р. 148-155.

Singh S.P., Satsangi G.S., Lakhani A, Kumari K.M., Srivastava S.S. Rainwater composition at a regional representative site of a semi-arid region of India // Water, Air and Soil Pollution. - 2001. - V. 127. - P. 93-108.

Zunckel M. Rainwater composition in northeast Uruguay / M. Zunckel, C. Saizar, J. Zarauz // Atmos. Environ. — 2003. — V. 37. — P. 1601-1611.

Plugatar Yu.V., Klimenko O.Ye. Possible source of income chemical contaminants in precipitation in the Steppe Crimea. //Works of Nikit. Botan. Gard. - 2016. - Vol. 142. - P. 5-11.

The dependences of the concentration of major polluting ions in precipitation of steppe Crimea (Steppe branch NBG - NSC), calculated on the basis of monitoring data, conducted in 1994 - 2005. On the basis of correlation and factor analysis natural and anthropogenic sources of pollution of atmospheric precipitation were revealed, that associated with long-range transport of contaminants and the receipt of them from local sources.

Keywords: precipitation; pollution; long-range transport; steppe Crimea.