Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по биологии
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
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 л.................................... 2009 г. в Е.....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 Ч на официальном сайте ВАК разослан л.......................................... 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 Ч 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 Ч 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, 1Mn, Co, Cd, Ni, Zn, Cu), радионуклидов (90Sr, Cs), 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 экологоагрохимического 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 экологоагрохимического 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 сельскохозяйственных 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 Ставропольского края, территория которого в значительной мере совпадает с территорией Центрального Предкавказья и имеет семь агроклиматических районов (рис. 1).
Дивное Красногрвардейское Ипатово Летняя Ставка Новоалександровск Донское Арзгир Светлоград Изобильный Грачевка Михайловск Благодарный II I Ставрополь III Левокумское IV V Буденновск Кочубеевское Новоселицкое Нефтекумск Александровское Невинномысск Курсавка Зеленокумск Минеральные Воды Степное VI Георгиевск Курская Новопавловск Пятигорск Кисловодск VII 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 осадков >100С в возделываемые Район площадь, Почвы ГТК за год, среднем за сельскохозяйтыс. га мм сутки, ственные культуры град.
Светло-каштановые, Сухой I солонцово-солонча- 300-325 3600 <0,5 Кормовые угодья 279,ковые комплексы Очень Каштановые, каштаОзимая пшеница, засушливый II новые солонцеватые, 300-375 3400-3600 0,5-0,озимый ячмень темно-каштановые 1675,ЗасушлиОзимая пшеница, Темно-каштаноые, вый III 350-450 3200-3500 0,7-0,9 озимый ячмень, чернозёмы южные виноград, сады 2084,Озимая пшеница, озимый ячмень, НеустойчиЧернозёмы обыкно- кукуруза, во влажный IV 450-550 3000-3400 0,9-1,венные подсолнечник, 1121,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,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,чернозёмы горные сахарная свекла, виноград, картофель, овощи, сады Озимая пшеница, Чернозёмы типичные и озимый ячмень, Избыточно выщелоченные, кукуруза, влажный VII чернозёмы горные, 600-800 До 2800 >0,подсолнечник, чернозёмовидные 85,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 экологоагрохимического 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 Государственного центра агрохимической службы Ставропольский и Государственной станции агрохимической службы Прикумская. В почвенных пробах определялось 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 Ч 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 ацетатноаммонийным буферным раствором с рН-4,8 и определением атомноабсорбционным 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 56096 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 получению высоких урожаев большинства сельскохозяйственных культур, хотя и различались по агроклиматическим районам Центрального Предкавказья (рис. 2 и 3).
7654321I 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-исследовательского 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 многофакторном 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 Ч 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 Ч 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 Ч 0,25 %, общего фосфора Ч 0,13-0,15 %, общего калия Ч 2,3 %.
Агрохимическая характеристика почвы стационара до закладки опыта (0-20 см слой): рН водн. - 6,7; Hr Ч 2,7 мгэкв./100 г почвы; S Ч 42,1 мгэкв./100 г почвы;
V Ч 95%; подвижные формы Р О Ч 24, К О Ч 260 мг/кг почвы.
2 5 Опыт трехфакторный, представлен следующими факторами: А Ч системы удобрения в севообороте, В Ч способы основной обработки почвы, С Ч 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 19годы соответственно: N P K + 40 т/га; N P K + 80 т/га; N P K + 360 560 40 720 920 280 1080 1320 4120 т/га, а с 2000 по 2008 годы Ч N P K при соотношении N:P:K =1:0,98:0,160 156 + 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 Ч 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 характеризуются 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 экологоагрохимического 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 агроэкосистем являются: почвообразующие породы, осадки в виде дождя и снега, отходы коммунального хозяйства, промышленные предприятия, химические, нефтеперерабатывающие 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.
27,23,12,5,3,0,0,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 тыс.тонн 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 - 15,018,0; 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 Ц16,0 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).
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-растениеживотное.
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).
г/га Таблица 4 - Результаты анализа атмосферных осадков за 2001-2008 гг.
Содержание химических загрязнителей мг/л Годы - рН Cr Zn Cu Cd Pb NO NO SO 3 2 Талая вода 2001 7,2 1,9 1,68 14,4 3,9 0,224 0,029 0,0001 0,02002 6,8 4,4 0,028 10,2 3,1 0,030 0,003 0,0001 0,02003 6,8 3,5 0,022 8,2 2,0 0,008 0,002 0,0002 0,02004 7,1 1,9 1,64 11,4 3,9 0,224 0,029 0,0001 0,02005 6,2 1,4 0,028 7,8 3,5 0,020 0,004 0,0001 0,02006 7,1 2,5 0,012 12,2 2,9 0,070 0,002 0,0002 0,02007 6,8 4,4 0,028 11,9 2,8 0,030 0,003 0,0001 0,02008 6,8 3,5 0,022 13,1 3,1 0,080 0,002 0,0002 0,0Дождевая вода 2001 7,3 1,2 0,040 6,5 1,6 0,26 0,008 0,0005 0,02002 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 0,02004 6,1 1,2 0,032 9,1 1,3 0,15 0,060 0,0004 0,02005 7,4 1,5 0,020 6,5 1,6 0,26 0,050 0,0003 0,02006 6,8 1,2 0,052 8,2 1,6 0,30 0,023 0,0005 0,02007 7,4 1,4 0,035 8,5 1,6 0,26 0,080 0,0003 0,02008 6,8 1,3 0,090 9,5 1,7 0,20 0,090 0,0005 0,0ПДК 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 мелиоранты<атмосферные осадки<транспорт<коммунальное хозяйство городов и других поселений <промышленность.
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 свидетельствуют 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- ПодРайон Порода отбора, ло- виж- ло- виж- ло- виж- ло- виж- ло- виж- ло- вижсм вое ное вое ное вое ное вое ное вое ное вое ное ЗасушлиЛёссовидвый, неу- 150ные су- 14,1 0,2 35,3 2,9 180 17 5,6 0,06 10,4 0,4 26,6 0,стойчиво 1глинки влажный Засоленные Сухой, лёссо- 100очень за- 10,9 0,3 34,2 0,6 265 34 6,0 0,06 12,4 0,5 25,5 0,видные су- 1сушливый глинки Элювий Умеренно 135третичных 14,3 0,3 40,7 0,7 270 12 8,9 0,06 12,4 0,5 25,5 0,влажный 1глин Элювиально-делю- 110Влажный 7,0 0,3 19,0 0,7 160 15 3,0 0,06 9,8 0,4 19,8 0,виальные 1отложения ЭлювиальИзбыно-делю- 150точно 14,1 0,3 39,9 3,0 220 22 4,3 0,06 11,9 0,4 21,2 0,виальные 1влажный отложения АллюВсе 165виальные 12,0 0,3 39,8 0,6 260 22 8,5 0,06 12,5 0,3 25,3 0,районы 1отложения 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 Ч 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 Наименование почв Cu Zn Mn Cd Pb Ni Черноземы 19,51,9 47,02,1 31660 0,460,06 13,51,3 23,11,Влажный, типичные избыточно Черноземы влажный 15,02,5 39,44,7 35839 0,430,07 12,70,8 25,13,выщелоченные Неустойчиво Черноземы 15,70,8 43,51,8 34015 0,490,02 13,00,4 24,71,влажный обыкновенные Неустойчиво Черноземы влажный, уме- обыкновенные 17,22,2 42,02,9 35131 0,480,05 12,81,0 24,73,ренно влажный солонцеватые Черноземы Засушливый 15,41,3 43,43,4 33923 0,460,04 12,40,6 24,21,южные Темно16,70,7 47,03,1 33324 0,480,04 13,00,5 27,12,каштановые Темно-каштаноЗасушливый, 16,71,2 39,11,5 34519 0,470,06 13,10,7 23,52,вые солонцеватые очень засушливый Каштановые 14,90,7 42,61,4 33328 0,460,03 11,20,4 22,61,Каштановые 16,63,2 47,94,5 27369 0,360,06 10,21,9 23,67,солонцеватые Светло-кашта15,30,7 46,62,2 32631 0,460,04 11,70,7 24,21,новые Очень засушливый, Светло-кашта10,22,4 32,65,8 19735 0,420,11 7,41,6 21,11,сухой новые песчаные Солонцы 14,40,6 43,51,8 36028 0,480,05 11,50,7 22,21,Все районы Аллювиальные 38,617,2 43,34,3 31934 0,560,04 12,41,0 27,12,ОДК для глинистых и суглинистых почв 132 220 1500 2,0 130 ОДК для песчаных и супесчаных почв 33 55 1500 0,5 32 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.
0,0,0,0,0,28 0,0,0,0,2003 2004 2005 2006 2007 20Годы 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 радиоактивность, 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 избыточно 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, природнотехногенных 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 содержание 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. Максимальное 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 1Sr 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 соКоли- Количество 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 - 5 1 - 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 3 2 3 - Пруды 34 24 131 51 33 3 10 14 6 5 - Рыболовные водоемы 22 22 89 85 7 1 68 85 15 2 - Водохранилища 17 10 79 28 15 5 13 11 3 - - Осень Озера 12 9 44 24 18 4 - 4 2 - - 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 Ч 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 N P K + 65 т навоза 556 946 и N P K + 130 т навоза было больше, чем на контроле на 0,1-0,15 мг/кг или 1157 1500 412-30 %. 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 N P K + 130 т навоза и N P K + 190 т навоза. Здесь количество ее 1157 1500 463 1799 2162 7составило 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 темнокаштановой 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 свидетельствуют 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 установлено, что содержание свинца в зерне пшеницы в вариантах с применением удобрений 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 Ч навоз, свинца Ч фосфорные удобрения, меди Ч органические и фосфорные удобрения, кадмия Ч 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 0,00080,0012 % (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 (лсостояние Ч 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 лэлементарного участка обследования;
- выбор аналитических методов оценки состояния агроэкосистем и уровня антропогенного воздействия.
При определении зависимости состояние Ч 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 Ч Фоновое содержание тяжелых металлов в почвах агроэкосистем Центрального Предкавказья, мг/кг АгроклиматиCu Zn Mn Co Cd Pb Ni ческий район I 11,12,2 39,27,3 19859 5,60,4 0,400,06 10,51,2 25,02,II 15,70,9 44,62,2 33628 6,90,3 0,440,03 11,90,5 27,62,III 14,80,9 42,22,4 34617 6,90,4 0,440,03 11,90,5 28,01,IV 16,71,7 42,92,6 35421 7,40,7 0,480,03 12,70,7 29,22,V 21,62,6 49,12,8 37231 8,81,2 0,590,08 14,71,0 32,62,VI 24,06,0 48,45,3 39154 9,32,3 0,620,06 14,42,2 33,55,VII 14,85,0 49,410,5 29898 8,45,1 0,520,06 14,18,8 30,515,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 составом, процессами миграции элементов в почвенном профиле, разнообразием видового состава растительного покрова.
Подавляющая часть территории региона, за исключением предгорий с горамилакколитами 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-1в почвах Центрального Предкавказья, Бк/кг 90 1Агроклиматический район Sr Cs I 3,11,4 15,65,II 2,81,0 13,53,III 2,61,0 11,72,IV 3,00,5 12,11,V 2,90,9 11,61,VI 2,10,8 11,31,VII 4,10,2 26,20,Допустимый уровень 46,3 7Один 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- обыкновенвые альные песчаные вые вые ные ные 26163 12423 17721 12530 19767 20785 1556.3. Нормы допустимого остаточного содержания нефти в почвах агроэкосистем При нормировании допустимого остаточного содержания нефтяных углеводородов 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, содержащих 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 обуславливает 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 1наименований 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 ОбследоТоксич- <0,5 ПДК (ОДК) 0,5-1,0 ПДК (ОДК) >1,0 ПДК (ОДК) ванная ный % от % от % от площадь, элемент обсле- обсле- обслетыс. 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 промышленностью. 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 содержанию 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 подвижных 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 дальнейшем 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.
Результаты радиологического обследования региона КМВ показали, что содержание радионуклидов стронция-90 и цезия-137 в поверхностном горизонте почв обследованной территории значительно ниже предельно допустимых уровней. Результаты замеров гамма-фона также не вызывают опасений, мощность эквивалентной дозы ниже допустимой.
Несколько иная ситуация в городах, расположенных в области влияния горлакколитов. В городах Лермонтове и Железноводске выявлены участки с радиоактивным загрязнением. Город Лермонтов практически целиком находится в одной из радоноопасных зон Кавказских Минеральных Вод и объемная активность радона в некоторых местах превышает опасный уровень.
В первом и втором агроклиматическом районе Центрального Предкавказья расположены многочисленные предприятия нефтедобывающей промышленности.
На территории региона функционируют большое количество промысловых и магистральных нефтепроводов, крупнейшим из которых является нефтепроводная система Каспийского Трубопроводного Консорциума (КТК).
Поскольку строительство и эксплуатация нефтепроводной системы КТК может повлечь за собой дополнительные изменения в экологическом состоянии земель и нефтепровод в основном проходит по землям, вовлеченным в сельскохозяйственное производство, нами проводился мониторинг загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами и углеводородами нефти.
Проведенные исследования показали, что в течение всего периода мониторинга не были выявлены площадные аномалии с содержанием тяжелых металлов и углеводородов нефти, превышающим нормативные.
Отмечались отдельные превышения фона тяжелыми металлами: в зоне каштановых почв для валового хрома и независимо от типа почв для валового кадмия.
Наиболее же частое (а зачастую повсеместное) превышение фона фиксировалось:
на строительном этапе подвижной формой меди и на послестроительном этапе подвижной формой цинка. Анализируя различные факторы, влияющие на подвижность тяжелых металлов, существующие превышения фонового содержания объясняются уплотнением почвы и снижением содержания гумуса, вызванными строительными работами. Однако, несмотря на отдельные превышения фона, содержание всех тяжелых металлов (валовых и подвижных форм) значительно ниже допустимых концентраций и по группировке почв для экологической оценки по содержанию тяжелых металлов почвы относятся к 1 и группам (чистая почва и допустимый уровень загрязнения соответственно).
Также не было выявлено участков трассы нефтепровода, загрязненных нефтепродуктами. Максимальное содержание углеводородов нефти в почвах ниже, чем принятый норматив загрязнения (1000 мг/кг) более чем в три раза.
8. Пути совершенствования охраны агроэкосистем от химического загрязнения Антропогенные нагрузки если не предпринимать необходимых мер по снижению их отрицательного воздействия на окружающую среду могут быть причиной быстрого перехода биосферы в состояние неприемлемое для существования человечества. В различных агроклиматических условиях комплекс мероприятий по реабилитации загрязненных тяжелыми металлами почв существенно отличаться.
8.1. Совершенствование систем земледелия, воспроизводство плодородия, улучшение свойств и гумусного состояния почв При рациональной организации охраны агроэкосистем существенное значение приобретает развитие устойчивых биогеоценозов. В условиях Центрального Предкавказья с наличием большого разнообразия почвенно-климатических и хозяйственно-экономических условий мы предлагаем использование севооборотов разной специализации.
Так в очень засушливом районе с острым недостатком влаги и низким содержанием в почве гумуса наиболее эффективны зернопаровые севообороты с короткой ротацией: чистый пар - озимая пшеница или чистый пар - озимая пшеница - озимая пшеница. В местах локального загрязнения тяжелыми металлами хороший эффект возможен при внесении под чистый пар полуперепревшего навоза КРС 20 т/га с исключением применения на корм животных побочной продукции - соломы озимой пшеницы.
В засушливом районе, более благоприятном по увлажнению, широко применяются зернопропашные севообороты со следующим чередованием культур: пар - озимая пшеница - озимая пшеница - кукуруза (подсолнечник, сорго на силос) - озимый или яровой ячмень - пар - озимая пшеница - сорго на зерно.
На участках с локальным загрязнением тяжелыми металлами в севооборотах необходимо отдавать предпочтение таким устойчивым культурам, как озимая пшеница. При низком содержании в почве подвижного фосфора (менее 1015 мг/кг) целесообразно внесение расчетных норм фосфорных удобрений.
В неустойчиво и умеренно влажном районах складываются более благоприятные условия для пропашных культур - сахарная свекла, подсолнечник, кукуруза на зерно. Культивирование чистых паров здесь не целесообразно, как с экономической, так и с экологической позиций. На этих землях наиболее приемлемы зернотравяные севообороты. Это в значительной мере предотвратит явление эрозии и дефляции, снизит коэффициент подвижности тяжелых металлов.
В влажном и избыточно влажном районах на локальных участках загрязненных тяжелыми металлами, наиболее широкий выбор устойчивых полевых культур для использования в севооборотах. На склоновых землях необходимо вводить почвозащитные севообороты с полосным размещением культур.
Используя подобную дифференциацию, возможно прогнозировать повышение устойчивости окружающей среды к антропогенному воздействию.
8.2. Обеспечение оптимального круговорота биогенных элементов Исследования круговорота и баланса элементов в различных почвенноклиматических условиях позволяют обоснованно прогнозировать обстановку по загрязнению почвы и растительной продукции. Оценивая техногенные потоки веществ мы определяли количественное выражение процесса, учитывающего все источники поступления и расхода химических загрязняющих веществ.
В Центральном Предкавказье источниками поступления в почву сельскохозяйственных угодий тяжелых металлов являются органические и минеральные удобрения, химические мелиоранты и атмосферные осадки.
Максимальное количество свинца, цинка, меди и никеля поступает в почву с атмосферными осадками. Значительное количество кадмия поступает в почву с органическими удобрениями.
Среднегодовое поступление тяжелых металлов за период с 1986 по 1997 г.
составляло (г/га): Pb - 102,2; Cd - 4,8; Zn - 457,3; Cu - 93-5; Ni - 68,6.
За период с 1998-2008 гг. по сравнению с периодом 1986-1997 гг. поступление в среднем за год Pb снизилось на 9,2 г; Cd - 2,3; Zn - 31,2; - 11,2; Ni - 21,8 г/га. При этом снижение поступления Pb составило - 10,0; Cd - 2,3; Zn - 6,8; Cu - 13,2; Ni - 31,8 %. Снижение поступления в почву тяжелых металлов произошло в основном за счет уменьшения внесения органических и минеральных удобрений.
Изучение миграции тяжелых металлов, в пахотном горизонте Центрального Предкавказья позволило установить, что в сумме за год в почву в расчете на 1 га пашни поступает 602,1 г/га тяжелых металлов (табл. 15). По степени поступления в почву металлы расположились в следующем порядке Zn > Pb > Cu > Cd. На долю цинка в общем поступлении приходилось 70,8 %, свинца - 15,4, меди - 13,5, кадмия - 0,3 %.
В пахотных угодьях Центрального Предкавказья по всем учтенным тяжелым металлам наблюдается их концентрация. Суммарный приход тяжелых металлов за вычетом детоксикации почв биоценозом агроэкосистем составил 365,0 г/га. Из них на долю Zn приходилось 74,1, Cu - 5,7, свинца - 20,1, кадмия 0,1 %. То есть чистый приход в среднем на 1 га пашни сельскохозяйственных угодий по региону больший по цинку, затем - по Pb, минимальный - по Cd.
Для прогнозирования возможных изменений геохимической миграции нами проведены исследования в зернопропашном севообороте многофакторного многолетнего стационарного опыта на опытной станции СтГАУ.
Таблица 15 - Геохимическая миграция тяжелых металлов в пахотных угодьях Центрального Предкавказья в расчете на 1 га, за 2001-2008 гг. (с внесением минеральных и органических удобрений, гипсованием) Поступление тяжелых металлов ВыОбъем нос минераль- органичесТяже концентр атмосферные из ные удобре- кие удобре- гипсование всего ации, г/га лые осадки почвы ния ния метал лы г/га % г/га % г/га % г/га % г/га % г/га + Zn 2,24 0,5 9,28 2,2 0,74 0,2 413,85 97,1 426,1 100 155,6 270,5 Cu 1,67 2,1 1,84 2,3 0,54 0,7 77,16 94,8 81,2 100 60,3 20,9 Pb 0,41 0,4 2,22 2,4 0,46 0,5 89,94 96,7 93,03 100 19,7 73,3 Cd 0,05 2,5 0,84 46,5 0,06 3 0,87 48 1,82 100 1,5 0,3 Моделируя нагрузки на агроэкосистемы, используя доминирующие факторы воздействия агропромышленного комплекса, прослежен круговорот элементов на фоне возрастания норм минеральных и органических удобрений при насыщенности севооборота от 60 кг/га NPK (при соотношении N:P:K = 1,0:1,7:0,1) + 2,т/га навоза до 120 кг/га N:P:K (при соотношении N:P:K = 1,0:1,3:0,4) + 5,0 т/га навоза и до 180 кг/га NPK (при соотношении N:P:K = 1,0:1,2:0,4) + 7,5 т/га навоза.
Наибольшая концентрация тяжелых металлов в агроэкосистеме при насыщенности зернопропашного севооборота 180 кг/га NPК + 7,5 т/га навоза, увеличение составило 488 г/га. При этом на долю цинка приходилось 67,4 %, меди - 10,8, свинца - 21,3, кадмия - 0,5 %.
Для прогноза геохимической миграции в пахотных угодьях Центрального Предкавказья нами на основании многолетних данных составлены уравнения регрессий:
1) По цинку: у = 282,1 - 47,05 х - 14,13 х - 13,7 х 1 2 3 - 0,005 х 2) По меди: у = 36,21 + 3,14 х + 4,83 х - 1,63 х 1 2 3 - 0,14 х 3) По свинцу: у = 86,94 + 50,51 х - 0,66 х - 23,05 х 1 2 3 - 0,28 х 4) По кадмию: у = - 2,75 - 5,7 х + 0,624 х + 1,7 х 1 2 3 - 1,87 х где х, х, х, х поступление химически загрязняющих веществ:
1 2 3 х 1 - с минеральными удобрениями;
х 2 - с органическими удобрениями;
х 3 - с гипсом (фосфогипс);
х 4 - с атмосферными осадками.
Прогнозирование геохимической миграции в сельскохозяйственных угодьях Центрального Предкавказья свидетельствует о том, что при современном уровне интенсификации агропромышленного производства (АПК), существенного изменения содержания химических загрязняющих веществ в почве ожидать не следует, за исключением локальных участков, на которых возможна концентрация тяжелых металлов.
8.3. Повышение устойчивости агроэкосистем к химическому загрязнению В своих исследованиях мы оценили способность агроэкосистем сохранять свои свойства при внешних воздействиях.
Почвы Центрального Предкавказья существенно различаются по способности противостоять техногенному воздействию. Аккумуляция поступающих в них химических веществ зависит от содержания гумуса, механического состава, реакции среды, карбонатности, емкости поглощения. Но все же основными факторами в Центральном Предкавказье являются водный режим, строение почвенного профиля, наличие почвенно-геохимических барьеров, способных задерживать загрязняющие вещества.
Территория умеренно влажного района и района избыточного увлажнения больше остальных подвержена накоплению биохимически активных техногенных веществ. Накоплению этих соединений в почве способствуют следующие процессы: 1) сорбция ионов металлов глинистыми минералами, особенно солонцовыми комплексами; 2) образование малоподвижных комплексных органометалических соединений; 3) соосаждение свежевыпавшими оксидами и гидроксидами, содержание которых особенно превалирует в районе влияния промышленных предприятий сосредоточенных в умеренно влажном районе.
Оценивая устойчивость агроэкосистем к техногенному воздействию, мы прежде всего отслеживали их способность к самоочищению от продуктов техногенеза. В оценке устойчивости агроэкосистем к химическому загрязнению особое значение имеет устойчивость почв. Это связано с тем, что почва является практически невосполнимым ресурсом жизнеобеспечения на планете.
Способность к самоочищению существенно зависит от водного и теплового режимов, сорбционных свойств, биохимической активности, интенсивности разложения растительных остатков. Значительно влияет величина поверхностного и грунтового стока, соотношение количества осадков и испарения, интенсификация агропромышленного производства и использование энергосберегающих технологий. Указанные параметры с учетом значения кислотности легли в основу балльной оценки интегральной устойчивости агроэкосистем в границах агроклиматических районов (рис. 8).
I II III IV V VI VII районы Рисунок 8 - Экспертная оценка интегральной устойчивости почв по агроклиматических районов Центрального Предкавказья Экспертная оценка возможности самоочищения от химического загрязнения свидетельствует: высокие показатели отмечены во влажном районе, очень низкие в почвах сухой и очень засушливом районе, почвы умеренно влажного района, которые более всех подвержены техногенному воздействию обладают средней степенью. В целом же Центральное Предкавказье характеризуется малыми возможностями к самоочищению при антропогенном воздействии, это во многом обусловлено щелочной реакцией среды, низкой биохимической активностью гумусового горизонта, высокой степенью деградации земель, наличием факторов способствующих проявлению ветровой и водной эрозии.
8.4. Совершенствование методов эколого-агрохимического мониторинга Все прогнозы состояния агроэкосистем с целью увеличения устойчивости относятся к поисковым. В любых природных процессах присутствуют три составляющие: а) детерминированная, б) вероятная, в) случайная. В своих исследованиях мы рассматривали все процессы с детерминированными и вероятными составляющими. Прогнозы развития природных комплексов правильнее называть гипотезами.
Для подтверждения гипотезы развития необходимо учитывать ее составляющие (рис. 9) Источники загрязнения Атмосфера Почва Растение Поверхностные воды Подземные воды Рисунок 9 - Элементы агроэкосистемы испытывающие техногенную нагрузку Одним из важнейших путей совершенствования эколого-агрохимического мониторинга является адекватная оценка опасности. Это возможно достичь лишь при применении правильной системы критериев оценки экологического состояния агроэкосистем. Помимо использования общепринятых ПДК и ОДК необходимо широко применять региональные нормативы, значения фонового содержания химических веществ в границах агроклиматических районов, позволяющих выявить опасную тенденцию загрязнения на ранних стадиях.
суммарный балл Методы агроэкологического мониторинга должны быть составной частью регионального государственного мониторинга земель.
Комплексная региональная система мониторинга должна включать методы сплошного обследования земель, наблюдений на стационарных, реперных участках и оперативные обследования в случае возникновения природных или антропогенных экстремальных явлений. Наблюдения обязательно должны проводиться как наземными способами, так и с помощью дистанционного зондирования земли. Особое внимание при проведении мониторинга уделяется негативным процессам, приводящим к ухудшению состояния агроэкосистем.
Наиболее распространенными методами в настоящее время являются наземные полевые обследования, но они требуют больших затрат времени, трудовых и материальных ресурсов. Дистанционные (аэрокосмические) методы мониторинга (получение информации с самолетов и космических кораблей) более перспективны, а наиболее совершенными являются фотографические и многоспектральные радиотелевизионные средства дистанционного зондирования. Ведущее место среди них занимает аэрокосмическая фотосъемка. Положительной особенностью космических измерений является практически неограниченный пространственный размах наблюдений. Максимальная эффективность достигается комплексом наземных и дистанционных методов.
Объектами наблюдения будут являться поле, земельный участок, территория муниципального образования сельского поселения, территория района и региона.
Мониторинг проводится в соответствии с показателями и нормативной базой, обеспечивающими полную и объективную оценку ситуации.
Развитие и совершенствование системы мониторинга, безусловно, будет служить прочным фундаментом не только охраны агроэкосистем от химического загрязнения, но и стабильного развития и улучшения социально-экономического положения всего Центрального Предкавказья.
9. Экономическая, экологическая и социальная эффективность охраны агроэкосистем от химического загрязнения Поскольку агроэкосистемы являются составной частью окружающей природной среды, улучшение их состояния неизбежно сказывается и на других компонентах биосферы и в конечном итоге на здоровье и продолжительности жизни человека. Многие положительные последствия улучшения экологического состояния окружающей среды будут сказываться в долгосрочной перспективе и наша задача полностью оценить их экономический эффект.
Основой оценки экономической эффективности мероприятий по охране агроэкосистемы, ее компонентов от химического загрязнения являются методы, позволяющие определить величину затрат, направленных на предотвращение или снижение ущерба, размер предотвращенного ущерба в денежном выражении, объем получения дополнительной продукции в рублях.
В таком случае формула эффективности проведения мероприятия в общем виде представляется следующим образом:
Э = У + В - С, где Э Ч эффективность мероприятия; У Ч величина предотвращенного ущерба; В Ч объем дополнительной продукции; С Ч затраты на проведение мероприятия.
Ущерб при загрязнении компонентов агроэкосистемы рассчитывается по формуле:
У = У + У, из нед где У Ч годовой ущерб, руб/год; У Ч ущерб от изъятия компонента из агроэкосистемы из сельскохозяйственного оборота; У Ч ущерб от недобора нед продукции растениеводства в результате снижения урожайности и качества.
Остальные показатели расчета экономической эффективности мероприятий осуществлены в соответствии с общепринятыми методологическими принципам.
Для расчетов приняты следующие значения: величина предотвращенного ущерба определена исходя из среднегодовой урожайности в зерновых единицах с 1 гектара Ч 3,2 т и условной стоимости зерна за 1 тонну Ч 4 тыс. руб, количество гектаров предотвращенных от выбытия для мероприятия по оптимизации применения удобрений Ч 1 % от рекомендуемого объема, для использования фонового содержания Ч 0,5 %, совершенствование методов мониторинга Ч 0,4 % от рекомендуемого объема, количество дополнительной продукции Ч 3 ц/га.
Среднегодовая окупаемость одного рубля затрат на оптимизацию применения удобрений на основе проектной документации составляет 1 руб. 33 коп., использование показателей фонового содержания химических загрязняющих веществ - 1 руб. 18 коп., совершенствование методов эколого-агрохимического мониторинга - 1 руб. 25 коп.
Кроме экономической значимости, охрана агроэкосистем от химического загрязнения имеет социальную и экологическую эффективность.
Социальная эффективность мероприятий выражается:
- в повышении уровня доходов населения, участвующего в сельскохозяйственном производстве, за счет выручки от реализации дополнительной продукции, полученной в результате природоохранной деятельности;
- в сохранении существующих и создании новых рабочих мест.
Экологическая эффективность проявляется в виде:
- сохранения почв как компонента биосферы;
- создания комфортной среды обитания для человека.
Экологический эффект Ч эффект пролонгированного действия.
Выводы 1. Природные и антропогенные факторы определяют наличие, величину и динамику изменения содержания в почве, сельскохозяйственной продукции и воде тяжелых металлов, радионуклидов, нефтяных углеводородов 7 агроклиматических районов Центрального Предкавказья.
2. Основными источниками природного и антропогенного химического загрязнения агроэкосистем Центрального Предкавказья являются почвообразующие породы, атмосферные осадки, отходы коммунального хозяйства, промышленные предприятия, транспорт, добыча полезных ископаемых, минеральные и органические удобрения. По степени химического загрязнения агроэкосистем источники загрязнения располагаются в следующем порядке:
<почвообразующие породы < удобрения и мелиоранты < атмосферные осадки < транспорт < коммунальное хозяйство городов и других поселений< промышленность.
По значимости негативного воздействия на агроэкосистемы Центрального Предкавказья тяжелые элементы выстроились в следующем порядке кадмий < медь < свинец < никель < цинк.
3. Среднее содержание тяжелых металлов в почвах исследованных агроэкосистем Центрального Предкавказья значительно ниже ОДК. Верхний предел их содержания в долях ОДК составляет: для свинца - 0,1; цинка, марганца и никеля - 0,3-0,4; кадмия - 0,5. Содержание меди в аллювиально-луговой почве выше, и составляет 0,7 ОДК, в большинстве других почв оно не превышает 0,ОДК.
Площадь сельскохозяйственных угодий, загрязненных тяжелыми металлами в исследованном формате не превысила 0,5 % от всей обследованной площади.
4. Факторами, определяющими радиационную обстановку на территории Центрального Предкавказья, являются: естественная радиоактивность, привнесенная радиоактивность в виде отходов, образующихся при добыче, транспортировке, переработке нефти, газа, термальных, питьевых и минеральных вод, радиоактивных руд, строительных материалов и радиационные аварии.
Территория региона на 90-92% сложена породами и почвами, обладающими низким уровнем гамма-фона. Лишь в южной части (умеренно влажная, влажная и избыточно влажная агроклиматические районы) глинистая толща майкопской серии содержит линзы с детритом, обогащенным ураном.
5. Проведенные исследования свидетельствуют, о ниже предельно допустимых уровнях содержания радионуклидов стронция-90 и цезия-137 в поверхностном горизонте почв региона: максимальное содержание стронция-90 при допустимом уровне 46,3 Бк/кг составляет 4,58,7 Бк/кг, максимальное содержание цезия-1при допустимом уровне 770 Бк/кг составляет 12,26,1 Бк/кг.
Четких закономерностей уровня содержания радионуклидов в почвах по агроклиматическим районам, типам и подтипам почв не установлено.
6. За 2001-2008 гг. проанализировано 10,5 млн. тонн 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.
7. Основным химическим загрязняющим веществом природных вод региона из числа тяжелых металлов является свинец, содержание этого элемента превышает предельно допустимую концентрацию в 388 из 1913 проб воды отобранных в период исследований в поверхностных водах проточного, непроточного типов и подземных водах.
Распространенными загрязнителями являются медь и цинк. Эти токсиканты в количествах на уровне и выше ПДК встречаются преимущественно в рыбоводных водоемах.
Из других тяжелых металлов в опасных количествах встречаются кадмий и никель, реже цинк.
Большое содержание загрязняющих элементов характерно для водных объектов, расположенных вблизи городов региона.
Самыми загрязненными весной являются поверхностные воды непроточного типа, с содержанием токсичных элементов в концентрациях на уровне или выше ПДК, чем осенью.
Минимальное количество токсикантов обнаруживается в подземных водах.
8. Установлено, что при длительном систематическом применении высоких доз удобрений содержание тяжелых металлов в слое почвы чернозема выщелоченного 0-20 см увеличивалось. Содержание валовых форм цинка, меди, кобальта и свинца в варианте с внесением N P K + 130 т навоза было больше, чем на контроле 1157 1500 4соответственно на 13,6-18,2; 20,0-26,7; 8,3-16,7 и 40,0%.
На почвах ключевых участков Центрального Предкавказья определено, что внесение под полевые культуры минеральных удобрений в рекомендованных дозах не приводит к существенному изменению содержания и подвижности тяжелых металлов в пахотном горизонте.
Незначительное увеличение содержания валового цинка отмечено в темнокаштановых почвах, южном и обыкновенном тяжелосуглинистых черноземах, меди в черноземе южном и темно-каштановых почвах.
9. Применение рекомендованных норм удобрений под сельскохозяйственные культуры во всех агроклиматических районах региона не оказывало существенного влияния на содержание тяжелых металлов и радионуклидов как в основной, так и в побочной части растительной продукции.
В стационарном многофакторном опыте установлено, что содержание свинца в зерне озимой пшеницы в удобренных вариантах повышалось с 0,25-0,26 до 0,мг/кг, но закономерной зависимости содержания от величины вносимых доз не установлено.
Содержание меди в зерне озимой пшеницы с внесением удобрений увеличивалось на 0,05-0,1 мг/кг, при этом содержание ее не зависело от их нормы.
Эта же закономерность отмечалась и в содержании в зерне кобальта. В вариантах с удобрениями его было на 0,01-0,02 мг/кг больше.
Содержание кадмия в зерне озимой пшеницы не превышало 0,05 мг/кг, а в отдельных вариантах, как с удобрением, так и без них отмечались лишь "следы".
10. Фосфогипс на солонцовых земель в научно обоснованных дозах и в соответствии с проектно-сметной документацией не увеличивает содержание фтора в слое почвы 0-20 см, отмечено лишь его повышение в иллювиальном горизонте на варианте в двойной дозой фосфогипса (0,030 %) по сравнению с контрольным вариантом (0,020-0,022 %).
11. Фоновые уровни содержания большинства исследуемых тяжелых металлов в почвах агроэкосистем различных агроклиматических районов отличаются, но имеют общую закономерность увеличения содержания от I к VI районе и некоторое снижение в VII по сравнению с VI.
Так, фоновое содержание меди составляет в I районе - 11,12,2 мг/кг, в VI - 24,06,0, в VII - 14,85,0. Соответственно: цинка - 39,27,3; 48,45,3; 49,410,5;
марганца - 19859; 39154; 29898; кобальта - 5,60,4; 9,32,3; 8,45,1; кадмия - 0,400,06; 0,620,06; 0,520,06; свинца - 10,51,2; 14,42,2; 14,18,8; никеля - 25,02,0; 33,55,2; 30,515,6 мг/кг.
Эта закономерность в незагрязненных почвах обусловлена валовым содержанием элементов в материнской породе, генезисом, процессами почвообразования, реакцией почвенной среды, содержанием в почве органического вещества, биологическим круговоротом элементов, гранулометрическим составом, разнообразием видового состава растительного покрова.
12. Фоновое содержание радионуклидов стронция-90 и цезия-137 в почвах агроэкосистем 6 агроклиматических районов региона имеет незначительное различие. По стронцию-90 от 2,10,8 до 3,11,4, цезию-137 от 11,31,6 до 15,65,Бк/кг. И лишь в VII агроклиматическом районе установлено увеличение по стронцию-90 до 4,10,2, цезию-137 до 26,20,4 Бк/кг.
Это связано с тем, что подавляющая часть территории региона, за исключением предгорий с горами лакколитами, сложена породами и почвами, обладающими низким уровнем радиоактивности.
13. При нормировании допустимого остаточного содержания нефтяных углеводородов в почвах агроэкосистем Центрального Предкавказья наиболее приемлемым критерием является интегральный показатель фитотоксичности Ч пороговый уровень содержания углеводородов в почве, при котором может проявиться их негативное влияние на прорастание семян, рост и развитие самых чувствительных сельскохозяйственных растений.
Для черноземов допустимое содержание нефтяных углеводородов в почве установлено в размере 600 мг/кг, для каштановых почв Ч 1000 мг/кг.
14. Для повышения эффективности охраны агроэкосистем от химического загрязнения необходим комплекс мер включающий в себя совершенствование методов эколого-агрохимического мониторинга агроэкосистем с использованием методов дистанционного зондирования Земли. Оптимизацию применения удобрений, промышленных и коммунально-бытовых отходов на основе проектной документации. Использование при оценке уровня химического загрязнения агроэкосистем не только величины предельно допустимых концентраций и ориентировочно допустимых концентраций, но и показателей фонового их содержания для раннего обнаружения негативных изменений в агроэкосистеме, своевременного выявления источников загрязнения, принятия необходимых оперативных мер по предотвращению загрязнения.
15. Изученные и предлагаемые меры по охране агроэкосистем от химического загрязнения имеют достаточно высокий экономический, социальный и экологический эффект.
Среднегодовая окупаемость одного рубля затрат на оптимизацию применения удобрений на основе проектной документации составляет 1 руб. 33 коп., использование показателей фонового содержания химических загрязняющих веществ - 1 руб. 18 коп., совершенствование методов эколого-агрохимического мониторинга - 1 руб. 25 коп.
Социальная эффективность мероприятий выражается в повышении уровня доходов населения за счет получения дополнительной высококачественной продукции, сохранении существующих и создании новых рабочих мест, устойчивом развитии сельских территорий.
Экологическая эффективность проявляется в виде сохранения почвы как важнейшего компонента биосферы, предотвращении изъятия компонентов агроэкосистем из биосферы, создания комфортной среды обитания для человека.
Предложения производству 1. При оценке степени загрязнения каштановых почв и чернозема обыкновенного в регионе рекомендуется использовать установленные нами фоновые значения содержания в пахотном слое Pb, Mn, Co, Cd, Ni, Zn, Cu.
2. Для биотестирования территорий загрязненных тяжелыми металлами целесообразно использовать растения-космополиты: пырей ползучий, ромашку ободранную, тысячелистник обыкновенный, подорожник большой.
3. При осуществлении рекультивации загрязненных земель нефтью, консервации, принятии решения о выведении из оборота, переводе из одной категории в другую рекомендуется использовать установленные региональные нормативы допустимого остаточного содержания нефти в черноземных почвах Ч 600 мг/кг, каштановых Ч 1000 мг/кг.
4. В целях своевременного обнаружения изменения содержания радионуклидов в почвах, водных источниках, растительной продукции в особо охраняемом курортном регионе Кавказских Минеральных Вод организовать 4 реперных участка в непосредственной близости к городам Железноводск и Лермонтов.
Список основных публикаций по теме диссертации 1. Монография 1. Подколзин, О. А. Состояние и охрана агроэкосистем от химического загрязнения в Центральном Предкавказье / О. А. Подколзин // Ставрополь :
АЛЬФАПРИНТ, 2009. - 352 с.
2. Статьи в изданиях, рекомендованных для публикации основных результатов диссертации на соискание ученой степени доктора наук 2. Есаулко, А. Н. Биологизация систем удобрений в севообороте / А. Н. Есаулко, В. В. Агеев, Ю. И. Гречишкина, О. А. Подколзин // Агрохимический вестник. - 2005. - № 3 - С. 18 - 20.
3. Лобанкова, О. Ю. Минеральные удобрения как фактор повышения иммунитета растений / О. Ю. Лобанкова, О. А. Подколзин // Агрохимический вестник. - 2005. - № 4. - С. 12Ц14.
4. Подколзин, О. А. Фоновое содержание тяжелых металлов в почвах Ставропольского края / О. А. Подколзин, О. Б. Анциферов // Агрохимический вестник. - 2007. - № 6. - С. 4Ц5.
5. Подколзин, А. И. Реакция среды почвенного раствора земель агроландшафтов Ставропольского края / А. И. Подколзин, О. А. Подколзин, С. Н. Шкабарда // Агрохимический вестник. - 2007. - № 4. - С. 24Ц27.
6. Подколзин, О. А. Определение фонового содержания углеводородов в почвах Ставропольского края / О. А. Подколзин, О. Б. Анциферов // М. - Плодородие.
- 2007. - № 4(37). - С. 38Ц40.
7. Подколзин, О. А. Разработка региональных нормативов допустимого остаточного содержания нефти в почвах / О. А. Подколзин, О. Б. Анциферов // М. - Плодородие. - 2007. - № 4 (37). - С. 40Ц41.
8. Клишин, П. В. Агроэкологическое состояние земельных ресурсов Шпаковского района Ставропольского края / П. В. Клишин, О. А. Подколзин, С. В. Савинова // Агрохимический вестник. - 2008. - № 4. - С. 30Ц31.
9. Клюшин, П. В. Агроэкологическое состояние черноземов южных / П. В. Клюшин, О. А. Подколзин, А. Н. Марьин // Агрохимический вестник. - 2008. - №5. - С. 14Ц15.
3. Патент 10. А. с. об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005611354, Российская Федерация. ARFA / Есаулко А. Н., Агеев В. В., Гречишкина Ю. И., Жаворонков М. И., Подколзин О. А. / ФГОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет. - №2005610764 ; заявл. 13.04.2005.
4. Статьи в аналитических сборниках и материалах конференций 11.Жерновой, В. А. Практическое руководство по контролю за состоянием посевов озимой пшеницы в Ставропольском крае / В.
А. Жерновой, В. Д. Огарев, В. А. Яловой, О. А. Подколзин и др. // Ставрополь, 2000. - С. 31.
12.Есаулко, А. Н. Агрохимическое обследование и мониторинг почвенного плодородия / А. Н. Есаулко, В. В. Агеев, П. В. Клюшин, Ю. И. Гречишкина, А.
И. Подколзин, Л. С. Горбатко, В. И. Радченко, О. Ю.Лобанкова, О. А.
Подколзин, С. В. Динякова : учебное пособие. - Ставрополь : АГРУС, 2005. - 252 с.
13.Подколзин, О. А. Оценка почвообразующих пород Ташлянского ландшафта по содержанию микроэлементов и тяжелых металлов / О. А.Подколзин // Кн. 2.
Почвы - национальное достояние России : материалы IV съезда Докучаевского общества почвоведов. - Новосибирск, 2004. - С. 284Ц285.
14.Подколзин, О. А. Тяжелые металлы в почвах Ставропольского края / О. А. Подколзин // Проблемы производства продукции растениеводства на мелиорированных землях : сборник научных трудов. - Ставрополь : АГРУС, 2005. - С. 506Ц510.
15.Клюшин, П. В. Эколого-токсикологическое состояние почв Петровского района / П. В. Клюшин, О. А. Подколзин, В. А. Стукало // Проблемы производства продукции растениеводства на мелиорированных землях : сборник научных трудов. - Ставрополь : АГРУС, 2005. - С. 511Ц513.
16.Подколзин, О. А. Тяжелые металлы в природных водах / О. А. Подколзин, С. В. Савинова // Природоустройство и рациональное природопользование - необходимые условия социально-экономического развития России : сборник научных трудов. Часть 1 МГУП, 2005. - С. 305Ц306.
17.Подколзин, О. А. Поступление тяжелых металлов в агроэкосистемы Ставрополья / О. А. Подколзин, С. В. Савинова // Актуальные вопросы экологии и природопользования : сборник материалов научноЦпрактической конференции. Т. 2. - Ставрополь : АГРУС, 2005. - С. 153Ц156.
18.Подколзин, О. А. Изменение содержания тяжелых металлов в черноземе обыкновенном в зависимости от уровня минерального питания / О. А. Подколзин // Проблемы производства продукции растениеводства на мелиоративных землях. - Ставрополь : АГРУС, 2005. - С. 503Ц506.
19.Подколзин, О. А. Результаты агрохимического обследования почв колхоза - племзавода им. Чапаева Кочубеевского района / О. А. Подколзин, А. В.Лошаков // Энтузиасты аграрной науки : тр. КубГАУ. Вып. 4. - Краснодар, 2005. - С.
193Ц195.
20.Подколзин, О. А. Влияние удобрений на содержание тяжелых металлов в почве / О. А. Подколзин // Организация рационального природопользования в сельском хозяйстве / под общей редакцией профессора П.В Клюшина. - Ставрополь : СтГАУ, 2005 - С. 311Ц319.
21.Клюшин, П. В. Тяжелые металлы в агроценозах Ставрополья / П. В. Клюшин, О. А. Подколзин // Университетская наука - региону : сб. статей по материалам Юбилейной Научно-практической конференции. - Ставрополь : АГРУС, 2006.
22.Подколзин, О. А. Загрязнение почвенного покрова Ставрополья тяжелыми металлами / О. А. Подколзин, С. В. Савинова // Университетская наука - региону.: сб. статей по материалам Юбилейной Научно-практической конференции. - Ставрополь : АГРУС, 2006.
23.Бурлай, А. В. Оценка развития процессов подтопления в зоне влияния ПравоЕгорлыкской оросительно-обводнительной системы / А. В. Бурлай, О. А. Подколзин, В. А. Чернов // Состояние и перспективы развития агропромышленного комплекса Южного федерального округа : материалы 71-й научно-практической конференции. - Ставрополь Ставропольское книжное издательство, 2007. - С. 300Ц303.
24.Клюшин, П. В. Мониторинг земельных ресурсов Ставропольского края по данным дистанционного зондирования / П. В. Клюшин, О. А. Подколзин, С. В. Савинова // Состояние и перспективы развития агропромышленного комплекса Южного федерального округа : материалы 71-й научнопрактической конференции. - Ставрополь : Ставропольское книжное издательство, 2007. - С. 362Ц365.
25.Подколзин, А. И. Результаты мониторинга биологической активности почв Ставропольского края в 2006 году / А. И. Подколзин, О. А. Подколзин, А. Б. Климченко, М. В. Климченко // Состояние и перспективы развития агропромышленного комплекса Южного федерального округа : материалы 71-й научно-практической конференции. - Ставрополь : Ставропольское книжное издательство, 2007. - С. 376Ц378.
26.Подколзин, А. И. Состояние и тенденции изменения агрохимических свойств почв Ставропольского края / А. И. Подколзин, О. А. Подколзин А. Б.
Климченко, А. А. Макоед, С. Н. Шкабарда, Н. Н. Чапцева // Эволюция и деградация почвенного покрова : материалы III Международной научнопрактической конференции. - Ставрополь : СтГАУ, 2007. - С. 102Ц107.
27.Подколзин, А. И. Изменение гумусного состояния почв агроландшафтов Ставропольского края / А. И. Подколзин, О. А. Подколзин, С. Н. Шкабарда // Эволюция и деградация почвенного покрова : материалы III Международной научно-практической конференции. - Ставрополь : СтГАУ, 2007. - С. 108Ц113.
28.Подколзин, О. А. Выделение типов подтопления сельскохозяйственных земель / О. А. Подколзин, В. А. Чернов, В. П. Берестовой // Эволюция и деградация почвенного покрова : материалы III Международной научнопрактической конференции. - Ставрополь: СтГАУ, 2007. - С. 196Ц201.
29.Подколзин, А. И. Паспорт качества почв - важный элемент региональной системы повышения плодородия земель сельскохозяйственного назначения / А. И. Подколзин, О. А. Подколзин, С. Н. Шкабарда, О. Б. Климченко. // Эволюция и деградация почвенного покрова : материалы III Международной научно-практической конференции. - Ставрополь: СтГАУ, 2007. - С. 388Ц391.
30.Подколзин, О. А. Мониторинг водных ресурсов и засоленных почв Шпаковского района с применением ГИС-технологий / О. А.Подколзин, С. В. Савинова // Молодежная аграрная наука: состояние, проблемы и перспективы развития : сборник научных трудов / Ставропольский государственный аграрный университет. - Ставрополь : АГРУС, 2007. - С.
477Ц482.
31.Подколзин, О. А. Оценка развития процессов засоления почв Ставропольского края по результатам наблюдения на постоянных ключевых участках / О. А. Подколзин, С. Н. Шкабарда, А. В. Бурлай // Состояние и перспективы развития агропромышленного комплекса Южного федерального округа :
материалы 71-й региональной научно-практической конференции. - СтГАУ, 2007. - С. 378Ц383.
32.Клюшин, П. В. Мониторинг плодородия почв сельхозпредприятий Шпаковского района с применением ГИС-технологий и их агроэкологическое состояние / П. В. Клюшин, А. Н. Марьин, О. А. Подколзин, С. В. Савинова // Молодежная аграрная наука: состояние, проблемы и перспективы развития :
сборник научных трудов / Ставропольский государственный аграрный университет. - Ставрополь : АГРУС, 2007. - С 450Ц454.
33.Клюшин, П. В. Кадастровая оценка почв сельхозпредприятий Шпаковского района с применением ГИС-технологий / П. В. Клюшин, А. Н. Марьин, О. А. Подколзин, С. В. Савинова // Молодежная аграрная наука: состояние, проблемы и перспективы развития : сборник научных трудов / Ставропольский государственный аграрный университет. - Ставрополь : АГРУС, 2007. - С.
454Ц458.
34.Клюшин, П. В. Мониторинг водных ресурсов и засоленных почв Шпаковского района с применением ГИС-технологий / П. В. Клюшин, О. А. Подколзин, С. В. Савинова // Молодежная аграрная наука: состояние, проблемы и перспективы развития : сборник научных трудов / Ставропольский государственный аграрный университет. - Ставрополь : АГРУС, 2007. - С.
477Ц482.
35.Подколзин, О. А. Мониторинг качества поверхностных вод Ставропольского края / О. А. Подколзин, В. А. Стукало, А. В. Лошаков, С. В. Савинова, Н. Ю. Хасай // Инновации аграрной науки и производства: состояние, проблемы и пути решения : сборник научных трудов / Ставропольский государственный аграрный университет. - Ставрополь : АГРУС, 2008. - С.
152Ц159.
36.Подколзин, О. А. Агроэкологический мониторинг региона Кавказских Минеральных Вод / О. А. Подколзин, О. Б. Анциферов // Удобрения и средства защиты растений в интенсивном земледелии : материалы научно-практической конференции / Донской государственный аграрный университет. - Ростов-наДону: 2008. - С. 48Ц54.
37.Подколзин, О. А. Опыт мониторинга сельскохозяйственных земель с использованием дистанционного зондирования земли на Ставрополье / О. А. Подколзин, А. Н. Есаулко // Проблемы агрохимии и экологии. - 2008. - № 3. - С. 35Ц34.