Влияние солевых алюминиевых шлаковых отсевов на экологическое состояние серых лесных почв (на примере мзал, П. Б. Думчино, Мценского района, Орловской области)

Часть техногенных выбросов тяжелых металлов , поступающих в атмосферу в виде тонких аэрозолей , переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение . Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы , где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения . Основная масса осаждается в непосредственной близости от источника загрязнения . Теоретически техногенные аномалии представляют собой систему концентрических колец , в которых концентрация поллютанта убывает от центра к периферии . В реальной природной обстановке форма и размеры зон загрязнения существенно отличаются от теоретических ; обычно наблюдается неплохая корреляция формы и размеров зон загрязнения с конфигурацией розы ветров .[1; 5]

Методика исследований

Изучение степени влияния шлакового отвала на поступление тяжелых металлов в почвы , растения и поверхностные воды проводили в зависимости от удаления исследуемых объектов от источника загрязнения . Мониторинг растительности и взятие проб почвы на содержание тяжелых металлов производились в районе поселка Большое Думчино Мценского района на территории , прилегающей к отвалу шлаков АООТ « Цветные металлы и сплавы ». В течение 30 лет ( с 1963 по 1994 гг ) АООТ ЦМиС на земельном участке производилось складирование алюминий содержащих шлаков . Образовавшийся отвал в настоящее время представляет собой холм высотой 30-40 м , сложенный сыпучим материалом . Ш лаковый отвал расположен вблизи населенного пункта Большое Думчино (1 км ). С северо восточной и восточной стороны к отвалу примыкает лесной массив , а с остальных сторон его окружает пашня , используемая в настоящее время под многолетние травы . Для оценки содержания вредных веществ в почве закладывали 4 разреза на разной удаленности от отвала шлаков ( № 1 - 50, № 2 – 150, № 3 – 300, № 4 – 450 м ) и проводили отбор проб на участках площадью 25 м ² в 3-5 точках по диагонали с глубины 0,25 м и отбор проб на загрязнение по генетическим горизонтам почвы . Взятие проб по почвенным горизонтам до глубины проникновения поллютантов более правильно , так как токсиканты в течение вегетационного периода и всего года мигрируют по профилю , подтягиваются вместе с водой к поверхности . Смешанный образец составляли не менее чем из 15 индивидуальных образцов , размещенных равномерно на ключевой площадке . Почва : серая лесная среднемощная

The article informs about the presence of heavy metals in the soil, plants, water. It describes the diversity of living organism species, and defines the sensitive and relatively resistant to the pollution plant species. The obtained base data about the natural reproduction processes of gray forest soil productivity can be used for motivation of ecological rehabilitation of landscapes being destroyed anthropogenically.

среднегумусная грунтово - глеевая среднесуглинистая на лессовидных суглинках .

Для определения содержания тяжелых металлов в почве отбирали почвенные пробы из слоев : 0-20 см , 20-30 см , 3040 см , 40-50 см , 50-60 см , 60-70 см по 1 кг . Кроме этого , отбирали индивидуальный смешанный образец для анализа 1 кг из слоя 0 – 20 см в 5- кратной повторности . Пробные площадки закладывались в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.4.02.84.

Химический анализ почв выполнен по следующим ингредиентам : реакция почвенной среды ( рН ), валовые и подвижные формы тяжелых металлов ( свинец , медь , никель , цинк , кобальт , кадмий ). Накопление тяжелых металлов в почве и растениях определяли атомно - абсорбционным , пламенно - фотометрическим методом по методикам Всесоюзного научно - исследовательского института минерального сырья ( ВИМС , 1978) и Е . В . Аринушкиной (1970), механический анализ почвы методом Н . А . Качинского ( Кауричев И . С ., 1980, гумус ( ГОСТ 2621391), рН по методу ЦИНАО ( ГОСТ 26483-85), сумма поглощенных оснований ( ГОСТ 26207-91), подвижные формы фосфора и калия ( ГОСТ 26207-91), гидролитическая кислотность ( ГОСТ 26212-91), математическая обработка данных по методу Б . А . Доспехова (1979).

Результаты и их обсуждение

Успех в решении проблемы воспроизводства плодородия деградированных почв зависит от пополнения сведений об интенсивности протекания процесса природного почвообразования .

Интенсивность миграции и аккумуляции веществ в почвенном профиле во многом зависит от механического состава почвы . Поскольку почва как полудисперсная система состоит из частиц разной величины , то энергия поглощения будет определяться величиной поверхностной энергии почвенных частиц , при этом , чем меньше размер частицы , тем больше поверхностная энергия , тем выше способность частиц к поглощению .

Как видно из данных рисунка 1 гранулометрического состава исследуемых серых лесных почв распределение механических элементов в почвенном профиле свидетельствует о развитии элювиально - иллювиального типа распределения веществ . Во всех почвах изучаемых объектов распределение илистой фракции <0,001 мм и частиц физической глины <0,01 мм происходит следующим образом – вынос ила в нижние , иллювиальные горизонты почвы и накопление в верхних горизонтах частиц крупнее 0,01 мм .

Интерес представляют особенности распределения и содержания механических элементов в профиле почвы в непосредственной близости от источника загрязнения . Так , отмечено увеличение в содержании частиц крупной пыли в слое 0-10 см , количество которых достигало 70,4%. Это свидетельствует о включении в почвенный профиль механических частиц алюминиевых отсевов , накапливаемых в шлаковом отвале и переносимых на поверхность почвы с ветровым потоком и дождевыми и талыми водами .

При удалении от источника загрязнения количество частиц крупной пыли и характер их распределения практически не изменяется по объектам исследования , как в поверхностных горизонтах , так и в профиле почвы .

На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что интенсивность накопления и миграции тяжелых металлов в профиле серых лесных почв зависит от характера распределения и количества частиц физической глины и илистой фракции. Включение твердых частиц отсевов солевого алюминиевого шлака в почвенную массу и развитие элювиально-иллювиального типа почвообразования создают условия для проявления специфических признаков в составе и свойствах формируемых почв.

Серые лесные почвы , расположенные вблизи шлакового отвала , характеризуются средне и сильнокислой средой по всему профилю ( рН 4,3 – 4,5). Содержание подвижных форм фосфора очень низкое 4,5 мг , обменного калия высокое – 12,9-42,5 мг на 100 г почвы , гумусированность почвы на глубине 0 – 30 см составляла 2,01– 2,8%.

крупная пыль; 70,4

крупный и

пыль ; 28,3

А 1

крупный и средний песок;

2,28

б удаленность 50м а – глубина 0 – 10см б – глубина 40 – 50см крупный и

пыль; 26,3

крупная пыль; 4,8

удаленность 450 м

А 1 – глубина 0 – 10 см с – глубина 40 – 50 см

Рисунок 1 – Гранулометрический состав серых лесных почв в зависимости от удаленности источника загрязнения

При большей удаленности от источника загрязнения ( разрезы 2, 3, 4) отмечается изменение реакции почвенной среды до слабокислой и близкой к нейтральной - рН 5,4 – 6,0, увеличивается при этом сумма обменных оснований с 8,0 до 24,0 мг - экв /100 г почвы . Снижается величина гидролитической кислотности , степень насыщенности основаниями возрастает от 81,6 до 94,8%. На расстоянии 150– 450 м от отвала в серых лесных почвах наблюдается увеличение подвижных форм фосфора до 14,8 – 24,7 мг , количество обменного калия остается таким же высоким 20,0 – 50,0 мг на 100 г почвы .

Особенности гумусонакопления и физико-химические свойства серых лесных почв во многом определяются степенью воздействия солевых алюминиевых отсевов, накапливаемых в шлаковом отвале. В непосредственной близости к отвалу почвенный покров на глубину гумусового слоя был полностью снят при обустройстве площадки для складирования отсевов, однако при небольшой величине емкости поглощения и степени насыщенности основаниями высокая обеспеченность подвижным калием создает благоприятные условия для роста и развития растительного покрова и накопления гумуса (76,3т/га) в 30см слое почвы. При большем удалении от источника загрязнения увеличивается количество подвижных форм элементов питания и биологическая продуктивность растений, что подтверждается созданием запасов гумуса в гумусовом слое почвы 79,4т/га на расстоянии 150м и 95,5т/га в 450м от источника загрязнения. Это позволяет предположить влияние органического вещества и растений на аккумуляцию металлов в профиле почвы, а также влияние солевых отсевов на свойства и пищевой режим почв.

В профиле серых лесных почв изменение физико химических свойств подтверждает развитие элювиально глеевого процесса и закономерное перераспределение обменных оснований , гумуса , фосфора и калия по профилю почвы .

Интерес представляют данные по содержанию валовых и подвижных форм тяжелых металлов в серых лесных почвах исследуемых объектов и их распределение в профиле почв .

Аккумуляция тяжелых металлов и их распределение по профилю почв зависит от интенсивности миграции веществ в почвенном профиле и свойств почв .

Исследования показали , что шлаковый отвал солевых алюминиевых отсевов является основным источником поступления тяжелых металлов в почвы , так валовое содержание свинца изменялось от 18,0 до 35,0 мг / кг в поверхностном горизонте почвы (2-12 см ), при этом , чем ближе объект к источнику загрязнения , тем выше количество свинца . С глубиной содержание свинца в почве снижалось . Количество валовой меди было высоким в слое почвы 0-12 см и достигало 44,0-165,0 мг / кг , содержание цинка изменялось в зависимости от удаленности от отвала от 72,0 - 74,0 мг / кг , в почвах на территории в непосредственной близости к отвалу до 57,0-172,0 мг / кг на расстоянии 150-450 м от источника загрязнения , с глубиной в профиле почвы количество тяжелых металлов снижалось . Наиболее четкая взаимосвязь валового содержания тяжелых металлов и удаленности источника загрязнения наблюдалась в оценке количества никеля в почвах , чем больше удаленность исследуемого объекта от шлакового отвала , тем выше содержание этого металла .

Характер распределения валовых форм металлов по профилю почвы подтверждает развитие элювиально иллювиального типа почвообразования и миграцию их в таких формах как взвешенная форма с частицами более 0,001 мм , в истинно растворенной форме и коллоидной форме . Так , в непосредственной близости от источника загрязнения в условиях сильнокислой среды по всему профилю наблюдается энергичная миграция таких металлов , как цинк , медь , свинец , никель . Однако наибольшее содержание этих металлов отмечается в верхнем слое почвы 0-10 см разреза 1 ( удаленность 50 м ), для которого характерно накопление взвешенных частиц алюминиевых отсевов в этом слое почвы с фракцией крупной пыли .

Распределение исследуемых металлов в нижних горизонтах почвы подтверждается характером распределения почвенных частиц илистой фракции и гумусированностью почвы .

Оценить экологическую значимость тяжелых металлов можно по количеству подвижных форм тяжелых металлов в почвах . Количество подвижных форм меди , цинка , никеля , кобальта и свинца резко уменьшается в сравнении с валовым содержанием этих металлов в почвах . Так , в непосредственной близости к источнику загрязнения количество подвижных форм меди , цинка , свинца составляет 55,7-76,2% от валового содержания этих металлов . При большей удаленности от источника загрязнения не только уменьшается количество валовых форм указанных металлов , но и резко снижается их подвижность . Из этого следует , что почвенные условия в непосредственной близости к отвалу способствуют переходу тяжелых металлов в подвижные формы , что представляет экологическую опасность для животных и человека .

Проведенный химический анализ воды , накапливающейся в траншее вокруг шлакового отвала , показал , что содержание марганца , натрия , аммиака , хлоридов , нитратов , нитритов , а также микробиологические показатели превышают предельно допустимые концентрации для таких соединений в поверхностных водоемах .

Биологическая форма миграции веществ обусловлена избирательной поглотительной способностью живых организмов, процессами трансформации извлекаемых (поглощаемых) элементов в результате сложных биохимических процессов . Она оказывает огромное влияние на различные формы абиотической миграции. Более того, формы миграции в водных растворах во многом обусловлены воздействием живых организмов, продуктов их жизнедеятельности и трансформации органических остатков на минеральные компоненты почвы.

Флора территории , прилегающей к шлаковому отвалу " Думчино ", Мценского района характеризуется бедностью представителей семейств бобовых , здесь доминируют злаки , особенно пырей ползучий . Выявлены острые и хронические поражения древесных и травянистых растений токсикантами . В растительных сообществах у видов установлено ускорение или замедление фенофаз . Уровень содержания тяжелых металлов в растениях в непосредственной близости сильно превышал МДУ по всем тяжелым металлам , кроме меди . Максимальные концентрации в растениях были выявлены для следующих элементов : для цинка превышение составило у пырея ползучего в 1,3 раза ; для свинца у пырея ползучего в 1,6 раза ; для кадмия 1,5 раза у пастушьей сумки , у подорожника в 1,1 раз , у пырея ползучего в 1,1 раз ; для никеля у пырея ползучего в 2,6 раза , у подорожника 1,6 раза , у тысячелистника и пастушьей сумки равное МДУ . Сравнительный анализ у растений показал , что на всей территории Думчинского отвала наблюдается превышение тяжелых металлов по всем видам исследуемых растений . В качестве видов - индикаторов могут быть использованы пырей ползучий , тысячелистник обыкновенный ( относительно устойчивые виды ), подорожник большой ( чувствительный вид ).

Выводы

Таким образом , анализ экологического состояния экосистем на территории шлакового отвала п . Думчино показал , что основным фактором деградации почв являются воздействия химических соединений , содержащихся в шлаковых отсевах и обладающих разной способностью к миграции и аккумуляции в природных объектах , а также изменение гравитационного и гидрологического режима территории под действием большой массы скопления шлаковых отходов .

Показателями оценки экологического состояния серых лесных почв и степени их деградации под воздействием антропогенных факторов являются содержание валовых и подвижных форм ( соединений ) тяжелых металлов , как в верхнем гумусовом слое почвы , так и в почвенном профиле , содержание гумуса , величина рН солевой вытяжки , состояние почвенно - поглощающего комплекса , численность и видовой состав почвенных беспозвоночных .

Экологическое состояние системы почвы – растение рекомендуется оценивать видовым составом произрастающих растений , способностью их к аккумуляции тяжёлых металлов и видовой устойчивостью растений к загрязнению почв тяжёлыми металлами .

Показатель интенсивности аккумуляции и миграции тяжёлых металлов в экосистеме можно оценивать концентрацией этих элементов и состоянием природных поверхностных вод .