Состояние ландшафтных систем и их охрана в зоне белореченского химзавода
| Вид материала | Автореферат диссертации |
- Агроэкологическое обоснование эффективности ландшафтных систем земледелия в центральном, 787.23kb.
- На конкурс представляется информация в виде проектов, построенных объектов, каталоги, 17.74kb.
- Лекция №8. Теоретико-множественное описание систем Вводятся основные понятия теории, 220.04kb.
- Патофизиология регионарного кровообращения и микроциркуляции, 124.19kb.
- Состояние протеолитических систем, сосудистого эндотелия и церебральной гемодинамики, 425.05kb.
- Состояние и охрана атмосферного воздуха, 3048.14kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины специальные гидротехнические сооружения основной, 361.49kb.
- Влияние занятий спортом на функциональное состояние нервной и дыхательной систем юных, 433.75kb.
- V. состояние, использование и охрана земельных ресурсов и почв, 391.17kb.
- Спросите любого сталкера, какое время суток в Зоне самое страшное? Икаждый ответит, 4342.79kb.
На правах рукописи
Муравьев Евгений Иванович
СОСТОЯНИЕ ЛАНДШАФТНЫХ СИСТЕМ
И ИХ ОХРАНА В ЗОНЕ БЕЛОРЕЧЕНСКОГО ХИМЗАВОДА
Специальность 03.02.08 - экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук
Краснодар - 2010
Работа выполнена на кафедре общей биологии и экологии Кубанского госагроуниверситета в 1997-2009 гг.
Научный консультант доктор биологических наук,
профессор И.С. Белюченко
Официальные оппоненты: доктор биологических наук,
профессор А.В. Смагин
доктор биологических наук,
профессор Н.А. Черных
доктор биологических наук Н.М. Щеголькова
Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ставропольский государственный аграрный университет
Защита диссертации состоится 26 октября 2010 г. в 15 час. 30 мин. в аудитории М-2 на заседании диссертационного совета Д 501.001.57
МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу 119991, ГСП-1, Г. Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения
Автореферат разослан « 23 » сентября 2010 г.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.
Ученый секретарь диссертационного совета,
Доктор биологических наук А.С. Никифорова
1. Общая характеристика работы
Актуальность. Промышленные отходы (твердые, жидкие, газообразные), поступающие в природную среду, частично потребляются живыми организмами с водой, воздухом и пищей, активно перемещаются по трофическим сетям и накапливаются в организмах животных и человека. Мощными источниками загрязнения окружающей среды являются предприятия химической промышленности, оказывающие большое давление на природу через свои выбросы в воздух, сбросы в водоемы и на почву (Сорокина и др., 1984; Иваницкий и др., 1990; Тишков, 1992; Агафонов, 1994; Махутов и др., 2003). К предприятиям такого типа относится и Белореченский химический завод (Белюченко, 2005).
Среди мероприятий по стабилизации и улучшению экологической ситуации в районах функционирования таких предприятий особое место отводится системе производственного мониторинга, основной задачей которого является контроль за соблюдением на производстве нормативных правил и актов и информационное обеспечение принятия управленческих решений в области природоохранной деятельности и экологической безопасности (Прокашева, Горина, 1980; Алексеенко, 1989; Бутников, 1998; Зинюков, 1998; Белюченко и др., 2002; Белюченко, 2005). Наряду с производственным экологическим мониторингом целесообразно вести контроль за состоянием окружающих такие предприятия ландшафтов (Березин и др., 1991; Можайский и др., 2003). На необходимость оценки влияния выбросов и сбросов химических заводов на почвенный и растительный покров, на окружающие водные системы и атмосферный воздух с отслеживанием деградационных процессов в ландшафтах, а также их возможного загрязнения тяжелыми металлами указывают многие авторы (Баев и др., 1988; Иваницкий и др.,1990; Артюшин, 1992; Волошин, 1997; Батурин, Раховский 1998; Астафьева, 2006; Гусев, 2006).
Выбрасываемые при эксплуатации заводов вещества оказывают существенное влияние на физические и химические свойства атмосферы, воды и почвы, на растения и животный мир (Добровольский, 1983; Грисмис, 1997). Во всех составляющих ландшафта в зоне таких производств возникают нарушения в деятельности биоты, что может явиться причиной изменения циклов биогеохимических процессов в природных и агроландшафтных системах и нарушения их систем самоочищения и самовосстановления (Тинсли, 1982; Гузев и др., 1986; Громов, Павленко, 1989; Белюченко, 1998, 2003).
Выбор тяжелых металлов в качестве одного из важных показателей оценки влияния таких производств на ландшафты обусловлен тем, что нарастание их количества в пищевых сетях ведет к появлению ряда специфических заболеваний живых организмов, включая и человека (Clarcson, 1988; Moore, 1988; Мартин, 1993). Кроме того, поступление многих тяжелых металлов в окружающую среду заметно превышает природное (Добровольский, 1997; 1998; Елпатьевский, Луценко, 1990). Тяжелые металлы в процессе работы химических заводов поступают в атмосферу в значительных количествах в составе газообразных выделений и в виде техногенной пыли, которые попадают в водоемы и на почву с последующим переходом в живые организмы, где скорость их миграционных процессов заметно снижается. При отмирании растений и гибели животных почва обогащается этими элементами, и со временем, в силу их накопления, изменяются многие свойства почвенно-поглощающего комплекса (Ильин, Степанова, 1980; Гришина и др., 1990).
Накопление тяжелых металлов в почвах ведет к повышению их количества в организмах беспозвоночных, использующих органические вещества в качестве пищи и т.д. Поскольку почва обладает выраженной катионной поглотительной способностью, то она активно удерживает положительно заряженные ионы тяжелых металлов (Алексеев, 1987). Кроме того, обращается большое внимание на изучение физических, механических и химических особенностей такого емкого твердого отхода Белореченского химического предприятия, как фосфогипс, и оценивается возможность его использования в сельскохозяйственном производстве (Блохин и др., 1983; Мальцева и др., 1989; Новиков, Эвенчик и др., 1989; Новиков, Панов и др., 1989; Четверик, 1989; Иваницкий и др., 1990).
В связи с тем, что комплексный мониторинг окружающих Белореченский химзавод ландшафтов системно не проводился и его экологическая ситуация изучена слабо, естественно, что вопрос о разработке научно обоснованных мероприятий по их охране весьма важен. Постоянного контроля требуют основные отходы завода (включая и фосфогипс), влияющие на окружающую среду, что и обусловило выбор нами темы исследований.
Цель и задачи исследований. Цель работы – дать оценку экологическому состоянию и перспективам развития ландшафтных систем в зоне влияния Белореченского химзавода. При достижении поставленной цели нами решались следующие задачи:
1. Оценивалось экологическое состояние почвенного покрова.
2. Изучалось влияние выбросов завода на концентрацию в почвах тяжелых металлов (ТМ).
3. Определялось экологическое состояние растительного покрова.
4. Исследовалось состояние водных систем.
5. Оценивалось влияние выбросов завода на воздушный бассейн.
6. Изучались возможности использования твердых отходов (фосфогипс) в сельскохозяйственном производстве.
7. Предложены мероприятия по охране ландшафтных систем.
Научная новизна работы. Впервые в крае изучено влияние отходов Белореченского химзавода, содержащих различные химические соединения, на экологическое состояние окружающих его ландшафтных систем - почвы, водоемов, воздуха, биоты. На основании многолетних комплексных исследований в зоне Белореченского химзавода установлено, что предприятие в целом негативно влияет на важнейшие компоненты окружающих ландшафтов в радиусе до 5 км; наиболее сильно это влияние проявляется в пределах до 1 км от предприятия и по направлению господствующих ветров - до 7,5 км; влияние производства на ландшафты носит прямое (загрязнение почвы, воды, донных отложений и растительности тяжелыми металлами) и опосредованное воздействие (усиление деградации почв, водных систем, сообществ живых организмов).
Практическая значимость работы. В результате многолетних исследований получены данные по влиянию выбросов химзавода на загрязнение тяжелыми металлами почв, водных систем и растительности; разработаны предложения по использованию фосфогипса в сельскохозяйственном производстве, а также мероприятия по сохранению окружающих химзавод ландшафтов.
Личный вклад автора. Программа исследований по анализируемой проблеме, ежегодные планы и организация их выполнения разрабатывались автором самостоятельно; первые экспедиции, прокладка трансект, выбор показателей оценки состояния составляющих ландшафтных систем проведены автором; планирование и осуществление экспедиционных обследований, анализ полевых и лабораторных материалов и их обобщение выполнены автором; полученные выводы являются авторскими; результаты исследований опубликованы в 24 работах в соавторстве с И.С. Белюченко, Е.В. Терешкиной, Т.В. Бозиной, Г.В. Волошиной, В.Н. Гукаловым, О.А. Мельник, Ю.Ю. Петух, Е.В. Провизен, Л.Н. Ткаченко, Л.Б. Попок, Е.П. Добрыдневым, В.В. Гукаловым, Е.В. Терещенко и другими авторами; 29 работ автором опубликованы самостоятельно; результаты исследований используются на экологическом факультете Кубанского госагроуниверситета при чтении курсов прикладной и агроландшафтной экологии и экологического мониторинга.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на научных конференциях НИИ экологии и кафедры общей биологии и экологии Кубанского госагроуниверситета (2002-2007 гг.), на 3-й Международной конференции по речным бассейнам (Владимир, 2005 г.), на IV Международном форуме по эффективности применения минеральных удобрений (Краснодар, 2007 г.), на научно-техническом Совете департамента сельского хозяйства края (Краснодар, 2007, 2008 гг.), на I Международном аграрном конгрессе «ЮГАГРО» (2008 г.), на 1-й Всероссийской научной конференции «Рекультивация отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства» (Краснодар, март, 2009 г.).
На защиту выносится: зонирование территории по рассеиванию заводских выбросов, содержащих тяжелые металлы; влияние выбросов завода на агрономическое состояние почв; реакция микроорганизмов, флоры и фауны на загрязнение почв; влияние выбросов и сбросов завода на экологическое состояние поверхностных вод и атмосферного воздуха; оценка влияния фосфогипса на окружающую среду и предложения по его использованию в сельскохозяйственном производстве; специфика охраны ландшафтных систем в зоне влияния химзавода.
Публикации. По теме диссертации опубликована 53 научных работа, включая 3 монографии (2004, 2007, 2008 гг.) и 10 статей в реферируемых изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 9 глав, выводов, списка использованной литературы; изложена на 300 страницах машинописного текста и включает 111 таблиц и 20 рисунков; список использованной литературы составляет 420 наименований, из которых 40 - на иностранных языках.
2. Условия, материалы и методы исследований
Природно-климатические условия. Белореченский химзавод занимает территорию площадью 544 га и располагается в юго-восточной части одноименного района на высоте около 200 м над ур. м. Геологической основой территории являются отложения песка, галечника и супеси, а местами - глины четвертичного периода; почвообразующими породами изучаемой территории являются аллювиальные отложения от нижнечетвертичных (пески, галечники, суглинки) до современных (пески, галечники, глины); в геоморфологическом плане территория представляет наклоненную к югу террасированную равнину. Удаленность района от крупных водных систем обусловила континентальность его климата, что проявилось в колебании суточных, месячных и сезонных температур; среднегодовая температура воздуха колеблется от 9,2 до 10,4оС, максимальная составляет +42оС, а минимальная – минус 30оС; среднегодовая температура почвы превышает температуру воздуха на 1,5-2,0оС. В теплый период влажность воздуха низкая (около 50%), а в холодный увеличивается до 75-85%. Среднее количество осадков составляет около 500 мм в год; весной, летом и ранней осенью случаются засухи. Летом преобладают северо-восточные, а зимой – юго-западные ветры; самые сильные отмечены в конце зимы.
Территория завода расположена в лесостепной зоне в поясе дубовых лесов в предгорной части Западного Предкавказья. Современная растительность представлена пойменными лугами с деревьями и кустарниками, дубовыми лесами с преобладанием дуба черешчатого (юго-запад и юго-восток) и дуба сидячецветкового (на юге). Местами в дубняках встречаются граб, ясень, береза, осина, черешня, яблоня, алыча. Создана большая сеть полезащитных лесополос в юго-восточной стороне от завода в сторону Белореченска, что связано с распаханностью территории на этом направлении. Окружающие завод территории характеризуются равнинными предгорно-холмистыми ландшафтами преимущественно с дубовыми лесами и послелесными лугами на выщелоченных черноземах. В зоне влияния распространены черноземы выщелоченные слитые легкоглинистые и глинистые на четвертичных бурых с оливковым оттенком глинах и суглинках. Морфологическим признаком почв является необыкновенно плотное сложение, слитность, особенно в горизонте В; слитность и отсутствие дренажа вызывает застой вод на поверхности почвы во влажный период. По гранулометрическому составу почвы изучаемой территории относятся к глинистым и суглинистым разновидностям.
Экологические проблемы химического предприятия. Завод производит серную кислоту, экстракционную фосфорную кислоту, сложные минеральные удобрения – аммофос, жидкие комплексные удобрения, кормовые обесфторенные фосфаты, при производстве которых в воздух выбрасываются пары соляной и серной кислот, сернистый ангидрид, пыль серы элементной, сероводород, диоксид азота, аммиак, оксиды углерода, ТМ, фосфорные и фтористые соединения. Прямого загрязнения почвы при работе завода не происходит, но оказывается химическое воздействие выбросов через поступление некоторой их части на поверхность почвенного покрова с атмосферными осадками.
Объекты исследований. В качестве объектов исследований были выбраны основные компоненты ландшафтных систем (почвы, растительность, приземный слой атмосферы, поверхностные воды) в зоне влияния Белореченского химического завода на расстоянии от предприятия до 5 км (зона прямого давления) и от 5 до 10 км (зона косвенного влияния). Исследования основных компонентов ландшафтов велось по трансектам, проложенным по направлениям ветров.
Методические аспекты организации исследований. Наблюдения и опыты начаты нами в 1997 г., но комплексный характер они приобрели в течение 2001-2008 гг. и проводились методами закладки вегетационных, мелкоделяночных и производственных опытов, а также экспедиционных обследований всех ландшафтов в окружении завода, включая отбор проб почвы, воздуха, воды и растений по проложенным от предприятия трансектам в направлении преобладающих ветров (рис. 1).
5
1
Рис. 1. Схема отбора образцов почв и растений для оценки влияния
химзавода на окружающие ландшафты
Для оценки содержания в почвах тяжелых металлов отбор образцов проводился согласно требованиям соответствующих ГОСТов. Определение содержания подвижных форм тяжелых металлов, экстрагированных 5М HNO3 из почвенного образца, осуществляли на атомно-абсорбционном спектрофотометре «Квант – 2А», а валовый состав определяли рентгено-флуоресцентным методом на спектроскане «Макс-G». Агрохимическая оценка почв в кластерах (содержание гумуса, рН, NPK) проводилась по смешанной пробе в соответствии с ГОСТированными методиками; определение органического вещества в почве проводилось по методу Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91); общего азота - по методу Кьельдаля (ГОСТ 26107-84); фосфора и калия (для черноземов выщелоченных) - по методу Чирикова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26204-91). Пробы воды для анализов отбирались в водоемах, расположенных в зоне влияния завода (до 5 км); получены их гидрохимические характеристики (ХПК и БПК5, анионно-катионный состав, взвешенные вещества), дана оценка качества воды по содержанию загрязняющих веществ (тяжелые металлы, поверхностно активные вещества, нитраты и др.). Химические анализы в 2001-2006 гг. выполнялись в лабораториях НИИ прикладной и экспериментальной экологии и на кафедре общей биологии и экологии Кубанского госагроуниверситета, а в 2007-2009 гг. - в лабораториях ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района и Белореченского химзавода
Статистическая обработка результатов исследований. Определяли средние значения, стандартное отклонение, коэффициент вариации и доверительные границы варьирования признака для вероятности 0,95; репрезентативность достигнута посредством формирования выборки и кластерного метода отбора образцов для химических анализов; степень влияния отдельных загрязняющих веществ на состояние почв, воды и донных отложений определялась на основе множественного корреляционно-регрессионного анализа.
3. Состояние почвенного покрова
Физические свойства почв. Основные физические свойства почв (содержание песка, пыли, ила, плотность и другие особенности) во многом определяют их важнейшие характеристики, включая буферность, способность к аэрации, инфильтрации и т.д. (Белюченко, 2005). По гранулометрическому составу почвы (чернозем выщелоченный) в радиусе 5 км от завода разделили на следующие группы: глины легкие и средние, суглинки тяжелые и средние. В исследованных разновидностях почв содержание физической глины (частицы меньше 0,01 мм) местами доходит до 82,2%, илистой фракции - до 45,3, пыли - до 51,7, песка - до 32,3%.
В глинах средних в гранулометрическом составе преобладают иловато-пылеватые фракции при почти равном соотношении ила и пыли 1:1,1. Глины легкие характеризуются содержанием физической глины до 66,3, илистой фракции - до 35,1, пыли – от 19,1 до 58,9, песка – от 3,5 до 32,3%; преобладающими являются иловато-пылеватые фракции при соотношении ила и пыли 1:1,4-2,05; на отдельных участках преобладают иловато-пылеватые фракции при соотношении ила и пыли 1:1,4-1,6, что свидетельствует о благоприятных водно-физических свойствах пахотного слоя этих почв и их хороших структурных качествах. В глинах средних, которые преобладают в изучаемых ландшафтах, в пахотном слое наблюдается повышенное содержание илистой фракции, что ухудшает водно-физические свойства почвенного покрова, приводит к его уплотнению и нарушению газообмена.
Содержание физической глины в суглинке тяжелом доходит до 58,4%, илистой фракции до 34,6, пыли – от 30,5 до 67,9 и песка – от 4,1 до 34,7%; преобладающими являются иловато-пылеватые фракции; увеличение разрыва между количествами ила и пыли улучшает оструктуренность и водопроницаемость почв. В суглинках среднем и тяжелом доминирует крупнопылеватая фракция (до 58%), а пылеватая варьирует от 33,3 до 49,1%. Легкие разновидности отличаются рыхлым сложением, высокой водопроницаемостью и малой влагоемкостью. Поверхностный слой в агрозоне быстро теряет влагу и иссушается. В суглинках средних содержание физической глины колеблется от 30,2 до 44,1, илистой фракции - в диапазоне 2,6-25,3, пыли - 30,2-65,9, физического песка - 34,6-45,0%. Почти в равных количествах находятся пылевато-песчаные и пылеватые фракции.
Преобладание пылеватых фракций в гранулометрическом составе пахотного слоя почвы изучаемых ландшафтов говорит о благоприятных режимах его водопроницаемости и газообмена, а также о рыхлом или слабоуплотненном сложении и хорошей скважности. В слое 120-140 см наблюдается преобладание иловатых фракций и наибольшее содержание физической глины (57,8%), но соотношение ила и пыли в этом слое довольно широкое (1:1,7) и дальше по профилю оно уменьшается до 1:2,4, что также указывает на хорошую водопроницаемость пахотного слоя. Особое значение это имеет для почв природно-хозяйственных зон. Содержание физической глины в почвах различных зон окружающих завод ландшафтов колеблется от 22,6 до 63,98%.
Почвы в системе основных ландшафтов характеризуются сходными показателями содержания физической глины, что говорит о различиях между разновидностями почвенного покрова по характеру и особенностям его формирования и развития. Плотность твердой фазы почв на исследуемой территории изменяется от 2,37 до 2,86 г/см3; в различных зонах колеблется мало и зависит от количества органического вещества, в том числе полуразложившихся растительных остатков (древесный и травянистый опад), которые обладают невысокой плотностью. Плотность постепенно увеличивается с глубиной параллельно уменьшению количества органического вещества; наименьшая плотность характерна для верхних слоев, богатых растительными остатками.
Таким образом, показатели гранулометрического состава и плотности почв варьируют как в пределах отдельных ландшафтов, так и в целом по всей изучаемой площади, что связано с разным соотношением доли глинистых и песчаных частиц и зависит от рельефа территории и характера её использования. Прямого влияния выбросов завода на физические свойства почв пока не установлено.
Химические свойства почв. В пахотном слое сумма обменных оснований достигает 29, а в подпахотном - 31 мг-экв/100 г почвы с преобладанием кальция до 84% в пахотном слое и до 90% в подпахотном, где отмечается резкое уменьшение органического вещества (1,6%). С глубины 40 см плотность почвы вниз по профилю увеличивается, а сумма обменных оснований уменьшается до 26 мг-экв/100 г почвы, заметно падает доля обменного кальция (до 68%), а содержание обменного магния достигает 32. В этих слоях отмечена низкая концентрация гумуса (1,1%); увеличение содержания магния в сумме обменных оснований ведет к уплотнению почв.
Низкий уровень обменных оснований отмечен в слое почвы 80-100 см (22 мг-экв/100 г почвы) при низком содержании в нем гумуса (0,77%), преобладании песчаных фракций и довольно широком соотношении ила и пыли - 1:2,1. Начиная со 100 см вниз по профилю сумма обменных оснований возрастает до 26 мг-экв/100 г почвы в зависимости от количества коллоидных фракций с преобладанием кальция. Высокая доля кальция в почвенно-поглощающем комплексе (ППК) при значительном содержании гумуса в верхнем слое почв обусловливает хорошо выраженную водопрочность почвенных структур.
Содержание, запасы и состав органического вещества в почве определяют её основные агрономические свойства. Доля гумуса в пахотном слое (0-20 см) варьирует в широком диапазоне (от 1,3 до 5%); почвы аграрной зоны отличаются относительно стабильным уровнем гумуса, а в природной зоне его количество сильно колеблется. Отмечено изменение доли гумуса в почве по мере удаления точек отбора проб по основным трансектам от завода; относительно стабильный уровень содержания гумуса характерен для первой и пятой трансект, что, очевидно, связано с наличием здесь обширных сельскохозяйственных площадей. Содержание гумуса в почвах агроландшафтов колеблется от 2,1 до 4,1%, а в почвах природной зоны - от 1,8 до 5,0%; в агрозоне выделены слабо-, мало- и среднегумусные почвы.
Содержание гумуса в пахотном слое (0–20 см) почвы по зонам колеблется широко - от 1,22 до 7,5%; аграрная зона выделяется низким уровнем гумуса в верхнем слое почвы (в среднем 3,6); высокой концентрацией гумуса выделяются почвы природной зоны (в среднем 4,8) и лесополос (в среднем 4,7%). Изменение содержания гумуса по профилю почвы зависит также от особенностей рельефа.
Уровень органического вещества в почвах по направлению трансект и по точкам отдельных кластеров варьирует; высоким его содержанием отличаются пробы, отобранные по трансекте 1 на расстоянии до 1100 м от предприятия, по трансекте 2 – в пределах 3600–4600, по трансекте 3 – в пределах 5100–7500, по трансекте 4 - на расстоянии 3100 и по трансекте 5 - на расстоянии 4600 м от предприятия.
По результатам исследований можно заключить, что основная часть почв (>87%) окружающих химзавод ландшафтов относится к слабогумусным (содержание гумуса до 4%) и небольшая часть (>10%) – к малогумусным (содержание гумуса 2,5-3,0%); содержание органического вещества колеблется по сезонам и зависит от места отбора проб и расстояния от завода; в верхних слоях почвы концентрируется основная масса гумуса, с увеличением глубины слоя его содержание падает.
Агрономическая оценка почв в зоне влияния завода. В результате выбросов завода на поверхность почвы с осадками поступают загрязняющие вещества. Оценка состояния почв по годам показывает, что в зоне прямого давления завода уровень плодородия почв заметно меняется по сравнению с зоной косвенного влияния; количественные изменения содержания подвижного фосфора и общего азота отмечены во все годы. Реакция почвенной среды в зоне прямого давления завода находится на уровне нейтральной (рН 6,94), а в зоне косвенного влияния - слабокислой (рН 6,30). В прилегающих к заводу ландшафтах уровень подвижного фосфора в верхнем слое почвы выше, чем в зоне косвенного влияния, примерно на 3 мг/100 г почвы, а доля обменного калия, наоборот, несколько выше в зоне косвенного влияния.
Результаты исследований агрономического состояния почв в окружающих завод ландшафтах показывают, что выбросы предприятия влияют на содержание в них органического вещества и подвижного фосфора. Выбросы завода за 6 лет исследований оказали определенное воздействие на все изучаемые показатели. В наибольшей степени это отразилось на концентрации в почве подвижного фосфора: за период исследований в зоне прямого влияния концентрация этого элемента в почвах агроландшафта увеличилась на 5,74, а в зоне косвенного влияния – всего на 1,38 мг/100 г почвы. Отмечено некоторое увеличение органического вещества в почвах зоны косвенного влияния по сравнению с зоной прямого воздействия.
Кислотно-основные свойства. На значительной территории, которая находится под влиянием выбросов химзавода, реакция почвенной среды заметно колеблется и зависит от рельефа местности, направления ветров, характера землепользования, растительности и загрязненности тяжелыми металлами. Реакция почвенной среды по мере удаления от предприятия заметно меняется; кислые почвы преобладают по третьей (юго-западное направление ветров), слабокислые - по второй трансекте (западное направление ветров). Наиболее благоприятные условия отмечены в лесополосах, в природных анклавах и под многолетней залежью, что связано с положительным воздействием растительности на почву с ненарушенным сложением. В течение шести лет в почвенной среде произошли изменения: в связи с увеличением производства к 2006 г. завод усилил влияние на окружающие ландшафты по сравнению с 2001 г., о чем свидетельствует выявление в зоне прямого влияния в 2006 г. группы почв с кислой реакцией; доля этих почв составила 24,2%, тогда как в 2001 г. эта группа совсем не выделялась.
Уровень рН почвенного раствора не является величиной постоянной и заметно варьирует по сезонам. В весенне-летне-осенний период реакция почвенной среды в радиусе 500 м от завода в пробах варьирует от 5,7 до 8,0, отмечена высокая доля слабощелочных почв (30,5%). В радиусе 5 км от завода почвы изучаемых ландшафтов характеризуются весной слабокислой (рН 6,2-6,9) реакцией; в летний период уровень рН изменялся от 5,4 до 8,6 (от среднекислых до среднещелочных).
Таким образом, следует подчеркнуть, что выбросы Белореченского химзавода влияют на кислотность почв во все периоды года; в летний период отмечается повышение щелочности почвенного раствора, что, по всей видимости, связано со снижением влажности по сравнению с весенним сезоном.
Агрономическое состояние почв по трансектам. По направлению основных ветров содержание органического вещества в почве колеблется от 1,3 до 5,1%, а по остальным направлениям с незначительным количеством ветровых дней его уровень в почвенных образцах варьирует в пределах 3,2-4,5%. Колебания в содержании нитратного и аммиачного азота по трансектам и сезонам года значительные; наиболее высокий уровень отмечен в летний период для нитратного азота, что, очевидно, связано с усилением процесса нитрификации в дерновом горизонте почв под сформировавшимися растительными сообществами.
Содержание подвижного фосфора в почвенных образцах по трансектам колеблется в широких пределах: весьма высокий его уровень (от 520 до 980 мг/кг) отмечен в почвах трансект по основным направлениям ветров; в юго-восточном и северо-западном направлениях с минимальным количеством ветреных дней содержание фосфора в почвах было самым низким, что указывает на незначительный привнос в почву фосфора с выбросами завода. В зимний период содержание фосфора в почвенных образцах окружающих ландшафтов несколько ниже, чем летом, что, очевидно, связано со смыванием оседающих выбросов талыми водами по поверхности промерзшей почвы в балочные системы.
Почвы весьма бедны разными формами азота при существенном варьировании уровня фосфора и относительно выровненном содержании обменного калия по трансектам. Выбросы химзавода за 6-летний период способствовали понижению рН в верхнем слое почвы: по преобладающему направлению ветров слабощелочная реакция среды 7,3-7,4 сменилась на нейтральную - 6,9-7,0 и даже на слабокислую – 5,9-6,2.
Концентрация подвижных форм тяжелых металлов в почвах сильно колеблется по трансектам: заметно меняется доля свинца, кадмия, марганца и никеля, причем в зимний период содержание свинца и никеля выше, чем летом, что связано, возможно, со значительным их выносом с урожаем растений. Содержание подвижных форм металлов в почвах в пределах отдельных трансект зависит от концентрации в них гумуса, выраженности микрорельефа, продуктивности растительных сообществ, силы и продолжительности ветров.
Почвенные микроорганизмы. Почвы изучаемых ландшафтов отличаются численностью микроорганизмов, обусловливающих поддержание гомеостатического состояния почв. Минимальная величина микробного пула отмечена в почвах окрестностей хутора Чумаково, где установлено низкое содержание гумуса. В результате проведенного регрессионного анализа было получено уравнение регрессии, отражающее взаимосвязь между содержанием гумуса (Y) и количествами аммонифицирующих (X1), аминоавтотрофных (X2), нитрифицирующих (X3), олиготрофных (X4), микромицетов (X5), азотфиксирующих (X6), целлюлозоразрушающих (Х7) микроорганизмов, значениями мобилизации органического вещества (Х8), педотрофности (Х9), олиготрофности (Х10) (табл. 1).
Таблица 1. Зависимость содержания гумуса от численности экологических групп микроорганизмов в почвах (среднее за 2003-2005 гг., n - 78)
| Результирующая переменная | Уравнение регрессии | Коэффициент множественной корреляции | Доля влияния факторов, % (X1,X2,X3,X4,X5,X6, X7,X8,X9,X10) |
| Гумус (Y) | Y=-0,09Х1+0,008Х2-0,01Х3+0,003Х4+0,006Х5-0,03Х6-0,01Х7+0,001Х8+0,29Х9+0,105Х10 | 0,89 | 1,0; 10,9; 17,6; 3,0; 4,5; 15,1; 5,7; 0,5; 13,8; 17,7 |
Полученные результаты указывают на наличие прямой корреляционной связи сравнительно высокой интенсивности между каждым микробным показателем и содержанием в почве гумуса.
Качественный состав микробоценозов представлен в основном видами следующих родов: Pseudomonas, Nitrobacter, Flavobacterium, Pimelobacter, Arthrobacter, Nocаrdia, Bacillus, Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, Oidiodendron. Почвенная микробиота включает различные функциональные группы микроорганизмов: активные (аммонификаторы, аминоавтотрофы и др.) и пассивные, что в свою очередь обусловливает поддержание гомеостатического состояния почв.
В микробоценозах почв преобладает бактериальная флора. Значение коэффициента педотрофности в почвах колеблется широко; при его значении ниже единицы процессы биохимической трансформации гумуса, осуществляющиеся автохтонной микрофлорой, протекают слабо. Относительная плотность азотфиксирующей и целлюлозоразрушающей микрофлоры колеблется; эта нестабильность связана с зависимостью азотфиксации от многих факторов. Из известных свободноживущих азотфиксаторов в почвенных пробах встречаются представители родов Azotobacter и Lipomyces. Процесс разложения целлюлозы растительных остатков осуществляется комплексом микроорганизмов, среди которых преобладают виды родов Pseudomonas, Bacillus, Aspergillus, Mucor, Verticillium.
Для почв характерны колебания микробного пула от 7 до 420 млн КОЕ/г. Низкое значение (7 млн КОЕ/г) характерно для почв на расстоянии 500 м от завода, что, очевидно, связано с мощностью выбросов предприятия, негативно влияющих на окислительно-восстановительные процессы верхнего слоя почвенного покрова. Наибольшая численность микроорганизмов (до 420 млн КОЕ/г) свойственна почвам западной и восточной зон территории на расстоянии до 2,5 км от завода; в этом направлении выбросы завода распространяются меньше. В целом указанную ситуацию можно объяснить тем, что согласно доминирующим направлениям ветров в юго-западном направлении происходит основной снос загрязняющих веществ, выбрасываемых заводом. Поскольку осаждение загрязнителей в сухом виде и в виде осадков происходит не вблизи завода, а на определенном расстоянии, обусловленном атмосферным переносом выбрасываемых веществ, то их негативное влияние, соответственно, будет проявляться на достаточном от предприятия расстоянии. В северном направлении по мере удаления от предприятия наблюдается возрастание общего количества микроорганизмов и показатели варьируют от 22 до 137 млн КОЕ/г почвы. К югу и северо-востоку от завода численность микроорганизмов в почве колеблется от 7 до 200 млн КОЕ/г почвы.
При изучении состава микрофлоры в окрестностях химзавода были использованы также данные по содержанию в почве тяжелых металлов, которые могут выступать в роли экотоксикологического фактора, определяющего направление и характер развития почвенных микробных сообществ. Установлено, что низкие дозы тяжелых металлов часто активизируют жизнедеятельность почвенных организмов и интенсивность протекания микробиологических процессов, а их высокие уровни, наоборот, подавляют.
В исследованных образцах почвы с прилегающих к заводу площадей, где содержание металлов превышает ПДК, отмечается снижение численности микроорганизмов. В западном направлении от завода (1100 м), при превышении ПДК цинком в 2,8 раза, свинцом - в 3, марганцем - в 1,5, никелем - в 1,2 и мышьяком - в 1,7 раза, общая численность микроорганизмов составила 138, а на расстоянии 2,5 км при умеренной концентрации всех тяжелых металлов – 420 млн КОЕ/г почвы. В юго-западном направлении на расстоянии 2100 м от предприятия, при сравнительно небольшом превышении ПДК (цинка в 2 и мышьяка в 1,2 раза), численность микроорганизмов доходит до 170 млн КОЕ/г, что связано, видимо, с незначительной концентрацией тяжелых металлов и устойчивостью к ним микроорганизмов.
Почвенная мезофауна. При оценке разнообразия животных в отобранных образцах почв по различным трансектам были обнаружены представители 8 классов беспозвоночных: Insecta, Myriapoda, Arachnida, Olygochaeta, Crustacea, Gastropoda и Diplopoda. Исследования почвенных образцов показали, что доминантными являются люмбрициды (Lumbricidae) – 12,8 и жесткокрылые (Coleoptera) – 4,2 экз./кг почвы; их наличие указывает на богатство почвы грубым органическим материалом.
В почвенных пробах также были выявлены и другие беспозвоночные животные–кальцефилы: кивсяки ( Julidae) – 0,5, двукрылые (Diptera) -2,1 экз./кг почвы; в весенний и летний периоды доминирующую группу составляли классы Olygochaeta (дождевые черви), Insecta (коллемболы), Akarina (клещи) и Nematoda. Зависимость развития отдельных таксонов от воздействия выбросов завода проявилась у представителей класса Nematoda, у остальных таксонов определенных связей с влиянием производства не установлено.
Загрязнение тяжелыми металлами. Особый интерес представляет уровень загрязнения почв полей севооборотов тяжелыми металлами, особенно такими, как свинец, мышьяк, стронций, кадмий и другие (табл. 2).
По валовому содержанию в верхнем слое почв в аграрной зоне по сравнению с другими заметно выделяются кобальт (до 44 мг/кг), хром (до 188), никель (до 65), свинец (до 35), цинк (до 260 мг/кг), марганец (свыше 1 г на кг почвы). Относительно небольшой разброс между нижними и верхними порогами валового содержания металлов в верхнем слое почв этой зоны указывает на сходство как почвенных условий, так и техногенного давления на эти системы. Концентрации подвижных форм отдельных элементов сравнительно мало отличаются от принятых норм, но в отдельных точках максимумы существенно превышают ПДК. Это относится к кадмию, свинцу, цинку, кобальту, меди и никелю, что связано с выбросами техники и внесением этих элементов в составе удобрений.
Таблица 2. Содержание (мг/кг) тяжелых металлов в верхнем (0-20 см) слое почв по природно-хозяйственным зонам (среднее за 2001-2006 гг., n - 78)
| Элемент | Агрозона | Природная зона | Многолетняя залежь | Лесополосы | Урбозона |
| Валовое содержание | |||||
| Ванадий | 111,7±0,90 | 102,8±1,87 | 106,9±1,22 | 109,4±2,03 | 106,86±1,15 |
| Кадмий | 0,2±0,006 | 0,2±0,005 | 0,2±0,004 | 0,2±0,01 | 0,2±0,01 |
| Кобальт | 32,6±0,59 | 32,3±0,68 | 34,1±0,66 | 29,0±1,15 | 31,1±1,20 |
| Марганец | 882,9±13,67 | 843,0±22,05 | 824,8±20,26 | 828,7±32,61 | 816,4±12,23 |
| Медь | 47,1±0,38 | 47,2±0,54 | 49,9±3,43 | 47,7±1,02 | 46,8±0,60 |
| Мышьяк | 9,9±0,13 | 9,8±0,16 | 10,3±0,50 | 9,7±0,26 | 9,6±0,21 |
| Никель | 53,4±0,57 | 52,4±0,82 | 55,8±1,92 | 54,6±1,99 | 53,0±0,64 |
| Свинец | 21,3±0,49 | 20,3±0,53 | 21,4±2,04 | 18,1±0,79 | 19,1±0,43 |
| Стронций | 126,5±1,40 | 132,6±1,87 | 133,1±1,69 | 122,6±1,38 | 133,4±2,09 |
| Титан | 5552,4±75,89 | 5182,6±95,89 | 5492,2±54,70 | 5446,2±141,84 | 5408,0±82,40 |
| Хром | 116,9±1,11 | 107,4±1,54 | 116,1±3,26 | 113,5±2,45 | 109,2±1,08 |
| Цинк | 89,3±2,39 | 83,9±1,10 | 93,3±1,79 | 83,6±1,04 | 88,2±1,07 |
| Подвижная форма | |||||
| Кадмий | 0,08±0,003 | 0,07±0,003 | 0,08±0,01 | 0,07±0,005 | 0,08±0,005 |
| Кобальт | 3,3±0,12 | 3,9±0,20 | 4,1±0,13 | 3,1±0,18 | 4,3±0,25 |
| Марганец | 133,1±5,19 | 146,8±7,31 | 165,2±7,75 | 131,0±10,82 | 186,5±7,52 |
| Медь | 8,3±0,12 | 7,7±0,22 | 9,0±0,15 | 7,4±0,17 | 8,8±0,47 |
| Никель | 8,7±0,15 | 8,1±0,23 | 8,8±0,33 | 7,9±0,30 | 8,6±0,21 |
| Свинец | 6,9±0,22 | 7,1±0,27 | 10,0±1,92 | 6,4±0,50 | 7,3±0,39 |
| Цинк | 8,1±0,22 | 9,0±0,26 | 9,1±0,22 | 8,7±0,28 | 9,2±0,38 |
В почвах природной зоны валовое содержание железа, титана, кобальта и меди по максимальным показателям несколько выше, чем в аграрной зоне. Средние уровни валового содержания кобальта, свинца, цинка и марганца в почвах природной зоны и лесополос ниже по сравнению с аграрной зоной. По остальным элементам (мышьяк, хром и др.) различия в их содержании незначительные. Некоторые расхождения между агрозоной и лесными полосами по содержанию металлов связаны с выносом отдельных элементов (кобальт, цинк, марганец) из нижних слоев почвы в верхний древесной растительностью с более мощной корневой системой по сравнению с травянистой.
Почвы урбозоны по средним показателям загрязнения тяжелыми металлами мало отличаются от агрозоны. Различия касаются в основном минимальных и максимальных уровней концентрации отдельных элементов. Содержание подвижных форм основных элементов в почвах урбозоны находится на уровне других территорий.
Проведена обработка данных на выявление статистических зависимостей между определяемыми показателями. Были вычислены парные коэффициенты корреляции между уровнями загрязнения почв тяжелыми металлами, для которых выбраны наиболее заметные по превышению ПДК пробы, и установлены закономерности распределения концентраций металлов в зависимости от расстояния до предприятия, их миграции в почвенном слое, физических и химических свойств почв. Значительной корреляции между ними не отмечено, и их зависимости не имеют закономерного характера, что, возможно, свидетельствует о нелинейности связей между ними или даже отсутствии таковых. На основе множественного корреляционно-регрессионного анализа были установлены сила и направление корреляционных связей между концентрацией каждого из рассматриваемых загрязнителей (Y) и основными физическим и химическими свойствами почв – содержанием органического вещества (Х1) и физической глины (Х3), а также кислотностью почвы (Х2). Полученные результаты свидетельствуют о наличии прямой связи средней степени зависимости между включаемыми в модель показателями. Наибольшее значение коэффициента множественной корреляции с основными свойствами почв отмечено для содержания подвижного кадмия (R=0,68), а наименьшее – для валового кадмия (R=0,33).
Оценка доли вклада каждой независимой переменной Xi, i = 1,2,3 в суммарное влияние всех факторов на результативную переменную Y путём анализа нормированных коэффициентов регрессии показала совокупное воздействие основных физических и химических свойств верхнего слоя почвы на концентрацию и распределение тяжелых металлов в разных природно-хозяйственных зонах.
Оценка загрязнения почв радионуклидами. Пробы почв в окружающих химзавод ландшафтах для определения содержания радионуклидов были отобраны по 6 трансектам и по горизонтам разрезов в 2005 г. Максимальные и минимальные концентрации радионуклидов в пробах почв, отобранных по первой трансекте, колеблются весьма значительно. Коридор разброса минимальных и максимальных уровней удельной активности радионуклидов в почвах второй трансекты несколько уже. Почвы третьей трансекты отличаются повышенной удельной активностью некоторых радионуклидов, что, очевидно, связано в основном с их техногенным происхождением. Особенно это касается цезия, наличие которого в почве, по всей видимости, обусловлено Чернобыльским следом. В образцах почв четвертой трансекты местами отмечено некоторое повышение содержания радиоактивных изотопов цезия, калия и тория. Заметное количество активных радионуклидов цезия и калия определено в почвах пятой трансекты. Содержание радионуклидов некоторых элементов (цезий, калий, торий) выше фонового отмечено в образцах почв шестой трансекты. Определение удельной активности радионуклидов по слоям показало, что только в верхнем слое почвы отмечена повышенная концентрация 137Cs. В ниже расположенных слоях почвы концентрация радионуклидов заметно меньше фоновых, что указывает на техногенное загрязнение почв радиоактивными элементами; природное происхождение загрязнителей исключается.