CC BY
44
УДК 631.445.25 : 631.879.34 : 504.05 (470.319)
Л.П. Степанова, доктор сельскохозяйственных наук Е.В. Яковлева, кандидат сельскохозяйственных наук А.И. Яшин, аспирант ФГОУ ВПО Орел ГАУ
ВЛИЯНИЕ СОЛЕВЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ ШЛАКОВЫХ ОТСЕВОВ НА ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ (НА ПРИМЕРЕ МЗАЛ, п. Б. ДУМЧИНО, МЦЕНСКОГО РАЙОНА, ОРЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ)
Установлено содержание тяжелых металлов в почве, растениях, воде, описано видовое разнообразие живых организмов, определеныі чувствительные и относительно устойчивые к загрязнению виды растений. Полученная база данных о ходе природного воспроизводства плодородия серых лесных почв на техногенно нарушенных территориях может быть использована для обоснования экологической реабилитации антропогенно нарушенныхландшафтов. Ключевые слова: солевые алюминиевые шлаковые отсевы, серые лесные почвы, экологическое состояние, Орловская область.
Введение
Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде тонких аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливаетс в водах и донных отложени х и может стать источником вторичного загрязнения. Основная масса осаждается в непосредственной близости от источника загр знени . Теоретически техногенные аномалии представляют собой систему концентрических колец, в которых концентрация поллютанта убывает от центра к периферии. В реальной природной обстановке форма и размеры зон загр знени существенно отличаются от теоретических; обычно наблюдаетс неплоха коррел ци формы и размеров зон загрязнения с конфигурацией розы ветров.[1; 5]
Методика исследований
Изучение степени влияния шлакового отвала на поступление т желых металлов в почвы, растени и поверхностные воды проводили в зависимости от удалени исследуемых объектов от источника загрязнения. Мониторинг растительности и взятие проб почвы на содержание т желых металлов производились в районе поселка Большое Думчино Мценского района на территории, прилегающей к отвалу шлаков АООТ «Цветные металлы и сплавы». В течение 30 лет (с 1963 по 1994гг) АООТ ЦМиС на земельном участке производилось складирование алюминий содержащих шлаков. Образовавшийс отвал в насто щее время представляет собой холм высотой 30-40м, сложенный сыпучим материалом. Шлаковый отвал расположен вблизи населенного пункта Большое Думчино (1 км). С северовосточной и восточной стороны к отвалу примыкает лесной массив, а с остальных сторон его окружает пашн , используемая в настоящее время под многолетние травы. Для оценки содержани вредных веществ в почве закладывали 4 разреза на разной удаленности от отвала шлаков (№1 - 50, №2 - 150, №3 - 300, №4 - 450м) и проводили отбор проб на участках площадью 25м2 в 3-5 точках по диагонали с глубины 0,25м и отбор пробна загр знение по генетическим горизонтам почвы. Взятие проб по почвенным горизонтам до глубины проникновени поллютантов более правильно, так как токсиканты в течение вегетационного периода и всего года мигрируют по профилю, подт гиваютс вместе с водой к поверхности. Смешанный образец составляли не менее чем из 15 индивидуальных образцов, размещенных равномерно на ключевой площадке. Почва: серая лесная среднемощная
The article informs about the presence of heavy metals in the soil, plants, water. It describes the diversity of living organism species, and defines the sensitive and relatively resistant to the pollution plant species. The obtained base data about the natural reproduction processes of gray forest soil productivity can be used for motivation of ecological rehabilitation of landscapes being destroyed anthropogenically.
Key words: soline aluminium screening, grey forest soils, ecological condition, Orel region.
среднегумусная грунтово-глеевая среднесуглинистая на лессовидных суглинках.
Для определения содержания тяжелых металлов в почве отбирали почвенные пробы из слоев: 0-20см, 20-30см, 3040см, 40-50см, 50-60см, 60-70см по1кг. Кроме этого, отбирали индивидуальный смешанный образец для анализа 1кг из слоя 0 - 20см в 5-кратной повторности. Пробные площадки закладывались в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.4.02.84.
Химический анализ почв выполнен по следующим ингредиентам: реакция почвенной среды (рН), валовые и подвижные формы тяжелых металлов (свинец, медь, никель, цинк, кобальт, кадмий). Накопление т желых металлов в почве и растени х определ ли атомно-абсорбционным, пламенно-фотометрическим методом по методикам Всесоюзного научно-исследовательского института минерального сырья (ВИМС, 1978) и Е.В.Аринушкиной (1970), механический анализ почвы методом
Н.А. Качинского (Кауричев И.С., 1980, гумус (ГОСТ 2621391), рН по методу ЦИНАО (ГОСТ 26483-85), сумма поглощенных оснований (ГОСТ 26207-91), подвижные формы фосфора и калия (ГОСТ 26207-91), гидролитическая кислотность (ГОСТ 26212-91), математическая обработка данных по методу Б .А. Доспехова (1979).
Результаты и их обсуждение
Успех в решении проблемы воспроизводства плодородия деградированных почв зависит от пополнени сведений об интенсивности протекани процесса природного почвообразовани .
Интенсивность миграции и аккумул ции веществ в почвенном профиле во многом зависит от механического состава почвы. Поскольку почва как полудисперсна система состоит из частиц разной величины, то энергия поглощения будет определ тьс величиной поверхностной энергии почвенных частиц, при этом, чем меньше размер частицы, тем больше поверхностна энерги , тем выше способность частиц к поглощению.
Как видно из данных рисунка 1 гранулометрического состава исследуемых серых лесных почв распределение механических элементов в почвенном профиле свидетельствует о развитии элювиально-иллювиального типа распределения веществ. Во всех почвах изучаемых объектов распределение илистой фракции <0,001мм и частиц физической глины <0,01 мм происходит следующим образом
- вынос ила в нижние, иллювиальные горизонты почвы и накопление в верхних горизонтах частиц крупнее 0,01мм.
Интерес представляют особенности распределения и содержания механических элементов в профиле почвы в непосредственной близости от источника загрязнения. Так, отмечено увеличение в содержании частиц крупной пыыш в слое 0-10см, количество которык достигало 70,4%. Это свидетельствует о включении в почвенный профиль механических частиц алюминиевык отсевов, накапливаемы« в шлаковом отвале и переносимык на поверхность почвы с ветровым потоком и дождевыми и талыми водами.
При удалении от источника загрязнения количество частиц крупной пыли и характер их распределени практически не изменяется по объектам исследования, как в поверхностных горизонтах, так и в профиле почвы.
На основании полученный результатов можно сделать вывод о том, что интенсивность накоплени и миграции
т желых металлов в профиле серых лесных почв зависит от характера распределени и количества частиц физической глины и илистой фракции. Включение твердых частиц отсевов солевого алюминиевого шлака в почвенную массу и развитие элювиально-иллювиального типа почвообразовани создают услови дл про влени специфических признаков в составе и свойствах формируемых почв.
Серые лесные почвы, расположенные вблизи шлакового отвала, характеризуютс средне и сильнокислой средой по всему профилю (рН 4,3 - 4,5). Содержание подвижных форм фосфора очень низкое 4,5мг, обменного калия высокое -12,9-42,5 мг на 100г почвы, гумусированность почвы на глубине 0 - 30 см составляла 2,01- 2,8%.
ил, 5,7
крупный и средний
мелкий песок, 0
ил; 9,5
мелкая пыль; 13,2
средняя пыль; 21,5
крупный и средний песок; 6,1
мелкий песок; 21,2
крупна пыль; 28,3
А1
крупный и средний песок;
1,9 мелкийпесок;
б
удаленность 50м а - глубина 0 - 10см б - глубина 40 - 50см
Рисунок 1 - Гранулометрический состав серык лесных ]
При большей удаленности от источника загрязнения (разрезы 2, 3, 4) отмечаетс изменение реакции почвенной среды до слабокислой и близкой к нейтральной - рН 5,4 - 6,0, увеличивается при этом сумма обменных оснований с 8,0 до 24,0 мг-экв/100г почвы. Снижается величина
гидролитической кислотности, степень насыщенности основаниями возрастает от 81,6 до 94,8%. На расстоянии 150- 450м от отвала в серык леснык почвах наблюдается увеличение подвижных форм фосфора до 14,8 - 24,7мг, количество обменного кали остаетс таким же высоким 20,0
- 50,0 мг на 100г почвы.
Особенности гумусонакопления и физико-химические свойства серых лесных почв во многом определ ютс степенью воздействи солевых алюминиевых отсевов, накапливаемык в шлаковом отвале. В непосредственной близости к отвалу почвенный покров на глубину гумусового
крупный и
пыль, крупная
пыль, 4,8
с
удаленность 450м А1 - глубина 0 - 10см с - глубина 40 - 50см
1в в зависимости от удаленности источника загрязнения
сло был полностью сн т при обустройстве площадки дл складировани отсевов, однако при небольшой величине емкости поглощени и степени насыщенности основани ми высока обеспеченность подвижным калием создает благопри тные услови дл роста и развити растительного покрова и накоплени гумуса (76,3т/га) в 30см слое почвы. При большем удалении от источника загрязнения увеличиваетс количество подвижных форм элементов питани и биологическа продуктивность растений, что подтверждаетс созданием запасов гумуса в гумусовом слое почвы 79,4т/га на расстоянии 150м и 95,5т/га в 450м от источника загрязнения. Это позволяет предположить влияние органического вещества и растений на аккумул цию металлов в профиле почвы, а также вли ние солевых отсевов на свойства и пищевой режим почв.
В профиле серык лесных почв изменение физикохимических свойств подтверждает развитие элювиально-глеевого процесса и закономерное перераспределение обменных оснований, гумуса, фосфора и кали по профилю почвы.
Интерес представляют данные по содержанию валовык и подвижных форм т желых металлов в серых лесных почвах исследуемых объектов и их распределение в профиле почв.
Аккумуляция тяжелых металлов и их распределение по профилю почв зависит от интенсивности миграции веществ в почвенном профиле и свойств почв.
Исследования показали, что шлаковый отвал солевык алюминиевых отсевов вл етс основным источником поступлени т желых металлов в почвы, так валовое содержание свинца измен лось от 18,0 до 35,0 мг/кг в поверхностном горизонте почвы (2-12см), при этом, чем ближе объект к источнику загрязнения, тем выше количество свинца. С глубиной содержание свинца в почве снижалось. Количество валовой меди было высоким в слое почвы 0-12 см и достигало 44,0-165,0 мг/кг, содержание цинка изменялось в зависимости от удаленности от отвала от 72,0 - 74,0 мг/кг, в почвах на территории в непосредственной близости к отвалу до 57,0-172,0 мг/кг на расстоянии 150-450 м от источника загрязнения, с глубиной в профиле почвы количество т желых металлов снижалось. Наиболее четкая взаимосвязь валового содержания тяжелых металлов и удаленности источника загрязнения наблюдалась в оценке количества никеля в почвах, чем больше удаленность исследуемого объекта от шлакового отвала, тем выше содержание этого металла.
Характер распределения валовык форм металлов по профилю почвы подтверждает развитие элювиальноиллювиального типа почвообразовани и миграцию их в таких формах как взвешенна форма с частицами более 0,001 мм, в истинно растворенной форме и коллоидной форме. Так, в непосредственной близости от источника загрязнения в условиях сильнокислой среды по всему профилю наблюдается энергичная миграци таких металлов, как цинк, медь, свинец, никель. Однако наибольшее содержание этих металлов отмечается в верхнем слое почвы 0-10 см разреза 1 (удаленность 50 м), дл которого характерно накопление взвешенных частиц алюминиевых отсевов в этом слое почвы с фракцией крупной пыли.
Распределение исследуемык металлов в нижних горизонтах почвы подтверждаетс характером распределени почвенных частиц илистой фракции и гумусированностью почвы.
Оценить экологическую значимость тяжелык металлов можно по количеству подвижных форм т желых металлов в почвах. Количество подвижных форм меди, цинка, никеля, кобальта и свинца резко уменьшаетс в сравнении с валовым содержанием этих металлов в почвах. Так, в непосредственной близости к источнику загр знени количество подвижных форм меди, цинка, свинца составл ет 55,7-76,2% от валового содержания этих металлов. При большей удаленности от источника загр знени не только уменьшаетс количество валовых форм указанных металлов, но и резко снижаетс их подвижность. Из этого следует, что почвенные условия в непосредственной близости к отвалу способствуют переходу тяжелых металлов в подвижные формы, что представляет экологическую опасность для животных и человека.
Проведенный химический анализ воды, накапливающейся в траншее вокруг шлакового отвала, показал, что содержание марганца, натри , аммиака, хлоридов, нитратов, нитритов, а также микробиологические показатели превышают предельно допустимые концентрации дл таких соединений в поверхностных водоемах.
Биологическая форма миграции веществ обусловлена избирательной поглотительной способностью живых организмов, процессами трансформации извлекаемых (поглощаемых) элементов в результате сложных биохимических процессов. Она оказытает огромное влияние на различные
формы абиотической миграции. Более того, формы миграции в водны1х растворах во многом обусловлены: воздействием живык организмов, продуктов их жизнедеятелыности и трансформации органических остатков на минералыные компоненты почвы.
Флора территории, прилегающей к шлаковому отвалу "Думчино", Мценского района характеризуется бедностыю представителей семейств бобовых, здесы доминируют злаки, особенно пыгрей ползучий. Выыюлены острые и хронические поражения древесных и травянистык растений токсикантами. В растителыных сообществах у видов установлено ускорение или замедление фенофаз. Уровены содержания тяжелых металлов в растениях в непосредственной близости силыно превышал МДУ по всем т желым металлам, кроме меди. Максималыные концентрации в растени х были вы влены дл следующих элементов: для цинка превышение составило у пыгрея ползучего в 1,3 раза; для свинца у пыгрея ползучего в 1,6 раза; для кадмия 1,5 раза у пастушыей сумки, у подорожника в 1,1 раз, у пыгрея ползучего в 1,1 раз; для никеля у пыгрея ползучего в 2,6 раза, у подорожника 1,6 раза, у тысячелистника и пастушыей сумки равное МДУ. Сравнителыный анализ у растений показал, что на всей территории Думчинского отвала наблюдается превышение тяжелык металлов по всем видам исследуемык растений. В качестве видов-индикаторов могут быгты исполызованты пыгрей ползучий, тысячелистник обыкновенный (относителыно устойчивые виды), подорожник болышой (чувствителыныш вид).
Выводы
Таким образом, анализ экологического состояния экосистем на территории шлакового отвала п. Думчино показал, что основным фактором деградации почв являются воздействия химических соединений, содержащихся в шлаковык отсевах и обладающих разной способностыю к миграции и аккумуляции в природных обыектах, а также изменение гравитационного и гидрологического режима территории под действием болышой массы скопления шлаковык отходов.
Показателями оценки экологического состояния серык лесных почв и степени их деградации под воздействием антропогенных факторов являются содержание валовык и подвижных форм (соединений) тяжелых металлов, как в верхнем гумусовом слое почвы, так и в почвенном профиле, содержание гумуса, величина рН солевой выгтяжки, состояние почвенно-поглощающего комплекса, численносты и видовой состав почвенных беспозвоночных.
Экологическое состояние системы почвы - растение рекомендуется оцениваты видовым составом произрастающих растений, способностыю их к аккумуляции тяжёлых металлов и видовой устойчивостыю растений к загрязнению почв тяжёлыми металлами.
Показателы интенсивности аккумуляции и миграции тяжёлых металлов в экосистеме можно оцениваты концентрацией этих элементов и состоянием природных поверхностных вод.
Литература
1. Алексеев, Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях [текст]/ Ю.В. Алексеев. - Л.: Агропромиздат, 1987. 143с
2. Илыин, В.Б. Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях Новосибирска [текст]/ В.Б.Илыин, Н.Л.Байдина, Г.А.Конарбаева // Агрохимия. - 2000. - №1. - С.66-73.
3. Кауричев, И.С. Геохимическая характеристика ландшафтов [текст] / И.С.Кауричев, В.И.Савич, Л.П.Степанова. -Изд-во ОрелГАУ, 2004. 216с.
4. Кузнецов, М.Н. Экологические последствия загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами в зонах техногенного воздействия (на примере Думчинского отвала) М.Н. Кузнецов /Автореф. дисс. канд. селыскохоз. наук. - Орел, 2000. - 21с.
5. Савич, В.И. Почвенная экология [текст] / В.И.Савич, Н.В.Парахин, В.Г.Сыиев, Л.П.Степанова и др. - Орел: Изд-во ОрелГАУ, 2002. -546с.
