CC BY
90
УДК: 631.4:632.152 ББК: 40.3
Демаков Ю.П., Майшанова М.И., Швецов С.М., Исаев А.В., Митякова И.И.
ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫБРОСОВ ЗАВОДА СИЛИКАТНОГО КИРПИЧА НА ПОДСТИЛКУ И ПОЧВУ СОСНОВОГО БИОГЕОЦЕНОЗА
Demakov Yu.P., Maishanova M.I., Shvetsov S.M., Isaev A. V., Mityakova I.I
THE INFLUENCE OF PROLONGED LIME AIR POLLUTION ON THE FOREST FLOOR AND SOIL OF PINE GEOBIOCOENOSIS
Ключевые слова: сосновый биогеоценоз, лесная подстилка и почва, физико-химические параметры, известковое загрязнение.
Keywords: pine geobiocoenosis, forest floor and soil, physical-chemical parameters, lime pollution.
Аннотация: приведены данные об изменении физико-химических параметров подстилки и почвы соснового биогеоценоза в зоне воздействия пылевых выбросов Марийского завода силикатного кирпича, действующего с 1953 года. Показано, что длительные пылевые выбросы привели к существенному изменению всех физических и химических параметров лесной подстилки и почвы в сторону повышения их плодородия. Особенно сильно изменилось в них содержание зольных элементов, основным из которых является кальций.
Abstract: the information on changing of physical-chemical parameters in the forest floor and soil of the pine geobiocoenosis in the area of dust emissions by the Mari Silex Brick Plant acting since 1953 is presented. It is stated that the prolonged dust emissions have set an essential change of all physical and chemical parameters of the forest floor and soil improving their fertility. With calcium as the main element the ash contents has undergone the greatest shift.
Введение
Техногенное воздействие человечества на окружающую его среду, резко возросшее во второй половине ХХ столетия, приобрело глобальный характер. Масштабы и темпы антропогенной деятельности опережают во многих случаях не только адаптивные возможности организмов и экосистем, но и, самое главное, уровень научных знаний об особенностях их поведения и функционирования в изменившейся экологической обстановке, что, несомненно, обуславливает необходимость проведения фундаментальных и прикладных исследований реакции биоты на различные виды и концентрации загрязнителей. В полной мере это относится к почве как сложной биокосной самоорганизующейся динамической открытой системе и важнейшей подсистеме наземных экосистем, благодаря которой обеспечивается поддержание в них жизнедеятельности всех видов организмов и непрерывность биологического круговорота веществ [1-3]. Почва - огромный аккумулятор органического вещества и сосре-
доточенной в нем солнечной энергии, а также гигантский буфер, поглощающий, нейтрализующий и фильтрующий все загрязняющие вещества, выпадающие с пылью и атмосферными осадками [4, 5]. Несмотря на многочисленные публикации, посвященные проблеме техногенного изменения почв [6-14], крайне слабо изучено воздействие на них выбросов производств силикатного кирпича [15, 16], крайне востребованного в настоящее время в связи с активным градостроительством.
Цель работы
Оценка влияния длительного известкового загрязнения среды в зоне воздействия завода силикатного кирпича на физикохимические свойства лесной подстилки и почвы соснового биогеоценоза.
Объект и методика исследования
Объектом исследования являлся сосновый биогеоценоз, расположенный с северной стороны Марийского завода силикатного кирпича, действующего с 1953 года. Основным компонентом выбросов является оксид кальция (известь негашеная), пыль известня-
ка, содержащая кроме кальция множество других химических элементов, главным из которых является стронций [17]. Древостой на объекте чисто сосновый разновозрастный (60+100 лет) II класса бонитета, произрастающий на песчаной слабоподзолистой почве, подстилаемой древнеаллювиальными песками. Тип лесорастительных условий переходный от сухого к свежему бору (А1-2 ). В данном биотопе на разном удалении от завода было заложено семь учетных лент, на каждой из которых проведена оценка параметров древостоя, подлеска, напочвенного покрова (таблица 1), подстилки и почвы. Пробы подстилки брали в пятикратной повторности вместе с мхом в виде почвенного монолита размером 10х10 см, очищенного от минерального слоя. Массу выпавшего загрязнителя оценивали по формуле: Мз = Мп - Морг. -Ммф., где Мз - масса загрязнителя, кг/м2 ; Мп -абсолютно-сухая масса подстилки, кг/м2; Морг. - масса органики в подстилке, кг/м ; Ммф. - масса минеральной части подстилки на фоновом участке, кг/м2. С помощью pH-тестера и электрода Cheker by Hanna оценивали также показатель pH водной и солевой вытяжки. Перед подготовкой к анализу из подстилки были выбраны мхи и другая живая растительность.
Полевые исследования почвы проводили согласно ОСТ 56-81-84 [18]. В зоне максимального загрязнения (80 м от завода) и на фоновом участке (1500 м) были заложены почвенные разрезы до глубины 1,5 м и проведено их морфологическое описание. На остальных лентах, находящихся на расстоянии 110, 190, 280, 340 и 390 м от источника загрязнения, сделано по пять прикопок, расположенных способом конверта. Образцы почвы для определения ее физикохимических показателей брали по профилю пошагово предварительно убрав подстилку из слоев 0-5, 20-25, 40-45, 60-65, 80-85 и 95100 см (на прикопках из слоев 0-5 и 20-25 см). Для определения физико-химических свойств почв использовали стандартные методики [19-22]. Гранулометрический состав исследовали на лазерном анализаторе размера частиц «ANALYSETTE 22» MicroTecPlus.
Содержание зольных элементов в почве и подстилке определяли на атомноабсорбционном спектрометре AAnalyst 400 с использованием программного обеспечения «WinLab32 AA Flame». Расчеты проводили по формуле СЭ = СР xVP х-Мз / МН х-Мс, в которой Сэ - содержание элемента в сухом образце, мг/кг; Ср - концентрация элемента в растворе, мг/л; VP - объем раствора, в котором была растворена зола, Мз - масса золы, г; МН - масса навески, г; Мс - масса высушенного образца, г. Пробоподготовку образцов и процедуру химического анализа проводили по методике ФЦАО [23]. Цифровой материал обработан на ПК с использованием стандартных методов математической статистики.
Результаты и обсуждение
Длительные аэральные выбросы завода силикатного кирпича, как показали исследования, привели к существенному изменению по градиенту загрязнения параметров состояния лесной подстилки (таблица 2), что высокой точностью описывают соответствующие уравнения регрессии (таблица 3). Так, общая масса подстилки, содержание в ней минеральных, органических и загрязняющих веществ изменяются по градиенту загрязнения куполообразно с максимумом на расстоянии 180 м от завода. Зольность же подстилки и значение рН неуклонно снижаются по мере удаления от завода. Особенно сильно изменяется содержание в подстилке зольных элементов, основным из которых является кальций: в зоне максимального загрязнения его содержится в 19 раз больше, чем на фоновом участке. Четко убывает по мере удаления от завода также содержание в подстилке стронция, концентрация которого в зоне максимального загрязнения превышает фоновый уровень в 6,3 раза, хрома, кобальта и кадмия. На втором месте по содержанию в подстилке находится железо, однако характер изменения его концентрации обратный, что связано, вероятно, с увеличением подвижности этого элемента в щелочной среде.
По мере приближения к источнику загрязнения убывает также содержание калия, марганца и цинка.
Таблица 1 - Краткая характеристика биогеоценоза на объекте исследования
Показатель Значения показателя на разном удалении от источника загрязнения
80 м 110 м 190 м 280 м 340 м 390 м 1500 м
Полнота древостоя относительная 0,90 0,70 0,68 0,66 0,80 0,69 0,68
Подлесок, тыс. шт./га 2,43 2,49 1,68 1,48 0,91 0,63 1,95
Травяной покров, % 12,6 7,6 4,8 7,3 3,0 2,1 4,5
Моховой покров, % 1,4 1,8 19,2 40,9 12,8 26,4 45,5
Мертвый покров, % 98,6 98,2 80,8 59,1 87,2 73,6 54,5
Таблица 2 - Параметры состояния лесной подстилки на объекте исследования
Параметр Значения параметра на разном удалении от источника загрязнения
80 м 110 м 190 м 280 м 340 м 390 м 1500 м
Масса подстилки, кг/м2 16,0 18,2 20,7 20,2 11,4 9,3 4,0
Зольность подстилки, % 76,5 69,3 64,2 64,1 61,0 56,8 43,1
Минеральная часть, кг/м2 12,2 12,6 13,3 12,9 7,0 5,3 1,7
Содержание органики, кг/м2 3,8 5,6 7,4 7,3 4,5 4,0 2,3
Содержание загрязнителя, кг/м2 10,5 10,9 11,6 11,2 5,2 3,6 0,0
pH подстилки (солевой) 7,73 7,54 7,18 7,18 7,18 7,06 5,73
pH подстилки (водный) 7,78 7,68 7,39 7,39 7,39 7,25 6,35
Содержание кальция, г/кг 51,42 60,29 48,99 34,18 31,13 27,46 3,22
Содержание железа, мг/кг 768,9 677,6 807,2 790,1 784,1 848,4 839,1
Содержание калия, мг/кг 154,8 169,0 198,1 172,7 191,2 233,1 406,3
Содержание марганца, мг/кг 44,1 39,6 58,3 111,2 120,3 219,9 406,6
Содержание стронция, мг/кг 11,1 11,3 8,83 5,71 5,63 5,10 1,76
Содержание хрома, мг/кг 9,54 5,64 0,78 0,00 0,00 0,00 0,00
Содержание цинка, мг/кг 7,57 9,28 10,43 10,54 11,1 15,26 24,3
Содержание свинца, мг/кг 3,99 4,33 3,77 3,18 3,4 3,96 5,28
Содержание меди, мг/кг 2,38 2,57 2,34 2,09 2,13 2,58 2,64
Содержание кобальта, мг/кг 2,22 2,26 1,63 1,46 1,39 1,33 0,86
Содержание никеля, мг/кг 1,00 0,83 1,22 1,36 0,80 1,39 1,71
Содержание кадмия, мг/кг 0,67 0,66 0,57 0,45 0,44 0,48 0,47
Таблица 3 - Уравнения регрессии, отражающие характер изменения параметров состояния лес-
ной подстилки по градиенту известкового загрязнения
Параметр Уравнение R2
Масса подстилки, кг/м2 Y = 100^ / (29,55^2 - 4,73 X + 0,73) 0,872
Зольность подстилки, % Y = 31,86•exp[-2,25•(X - 0,08)] + 41,90 0,960
Минеральная часть подстилки, кг/м2 Y = 13,08•exp[-1,91•(X-0,08)] + 0,57 0,788
Содержание органики, кг/м2 Y = X / (2,31•X2 - 0,71 X + 0,08) + 2,0 0,903
Содержание загрязнителя, кг/м2 Y = 100^ / (66,17^2 - 10,92 X + 1,31) 0,854
рН солевой Y = 1,95•exp[-1,56•(X - 0,08)] + 5,73 0,949
рН водный Y = 1,41•exp[-1,63•(X - 0,08)] + 6,35 0,957
Содержание кальция, мг/кг Y = 57161,2^^ 2,36^ - 0,08)] + 845,16 0,951
Содержание железа, мг/кг Y = 116,49-{1 - exp[- 4,72^ - 0,08)]} + 727,64 0,542
Содержание калия, мг/кг Y = 173,34 X + 146,32 0,968
Содержание марганца, мг/кг Y = 256,46 X + 36,98 0,917
Содержание цинка, мг/кг Y = 11,12 X + 8,05 0,763
Содержание стронция, мг/кг Y = 9,97•exp[-3,63•(X - 0,08)] + 1,68 0,977
Содержание кобальта, мг/кг Y = 1,41•exp[-4,11•(X - 0,08)] + 0,87 0,967
Содержание кадмия, мг/кг Y = 0,24•exp[-8,91•(X - 0,08)] + 0,45 0,909
Примечание: X - расстояние от источника загрязнения, км; R - коэффициент детерминации уравнения.
По мере приближения к источнику загрязнения убывает также содержание калия, марганца и цинка. Содержание в подстилке свинца, меди и никеля флуктуирует по градиенту загрязнения и связано, скорее всего, с естественной неоднородностью биотопов и ошибками измерения, нежели с деятельностью завода. Дисперсионный анализ показал, что основным источником вариации содержания зольных элементов в подстилке является расстояние (таблица 4). В ряде случаев довольно велика доля влияния повторностей, связанных с неоднородностями пространственного распространения мохового покрова.
Выбросы завода силикатного кирпича привели также к существенному изменению почвенного покрова в сосновом биогеоценозе. Так, на фоновом участке почва дерновосреднеподзолистая песчаная на древнеаллювиальных песках, элювиальный горизонт которой имеет бурую окраску, а с глубины 36 см плавно переходит в материнскую породу (рисунок 1, таблица 5). В зоне же наиболее сильного известково-стронциевого загрязнения подстилка более мощная и образовался новый карбонатно-техногенный горизонт серой окраски, под которым погребен прежний гумусовый слой (таблица 6). Окраска всего профиля почвы сменилась на серые тона, свидетельствующая о восстановлении в щелочной среде окисного железа и вмывании органических веществ.
Изменение морфометрической структуры почвы под влиянием известкового загрязнения связано прежде всего с существенным изменением ее гранулометрического состава. Так, если на фоновом участке преобладают (от 63,7 до 72,6 %) частицы размером более
0,25 мм, то в зоне наибольшего загрязнения их доля резко снижается, особенно в верхних горизонтах почвы (таблица 7). Здесь на глубине до 5 см преобладают (44,4 %) лессовидные частицы и довольно много фракции мелкого песка (37,9 %), а на долю крупного и среднего песка приходится всего лишь 2,5 %. На глубине 20-25 см доля крупного и среднего песка вновь резко возрастает (54,5 %), а доля физической глины и лесса уменьшается. На глубине 40-45 см в результате процесса
вмывания отмечается обратный процесс, приводящий к небольшому возрастанию доли частиц менее 0,01 мм. Далее вниз по профилю почвы доля частиц размером более 0,25 мм увеличивается и приближается по своим значениям к фоновому участку, но даже на глубине 100 см не достигает их.
Гранулометрический состав почвы четко изменяется по градиенту известкового загрязнения (таблица 8), что аппроксимируют соответствующие уравнения регрессии (таблица 9). Так, по мере удаления от завода в слое почвы 0-5 см происходит постепенное увеличение доли крупного и среднего песка, доля же всех фракций пыли и илистых частиц снижается. Известковое загрязнение, следовательно, приводит к изменению гранулометрического состава песчаных почв в сторону улучшения их лесорастительных свойств и повышения плодородия. Характер изменения доли мелкого песка описывается куполообразной кривой с максимумом на расстоянии 180 м от завода. Почва в слое до 5 см изменяется по градиенту загрязнения от рыхло-песчаной на фоне до супесчаной у завода. Изменения гранулометрического состава слоев почвы глубже 20-25 см менее выражены.
Под влиянием выбросов завода силикатного кирпича произошли значительные изменения физико-химических параметров почв (таблица 10), что было отмечено исследователями [15] еще 15 лет назад. Так, в зоне наибольшего загрязнения увеличилось по сравнению с фоном почти по всему почвенному профилю содержание органического вещества, а также связанных с этим значений рН, обменных оснований, особенно кальция, и степени насыщенности ими. Значение же гидролитической кислотности почвы под влиянием известкового загрязнения заметно снизилось, а содержание подвижных форм фосфора и калия изменилось очень слабо.
Значения практически всех физикохимических параметров верхних горизонтов почв, где произошла наибольшая их модификация, закономерно изменяются по градиенту загрязнения (таблица 11), что аппроксимируют с высокой точностью соответствующие уравнения регрессии (таблица 12).
Параметр Фактор дисперсии и доля его влияния
Расстояние от завода ( Т0,05 = 2,59) Повторность ( Т005 = 3,63 ) Доля ошибки, %
Н Доля влияния, % Тфакт. Доля влияния, %
Зольность 28,99 95,9 0,84 0,7 6,4
Содержание: Са 38,97 92,9 3,92 2,3 4,8
Бе 1,61 34,1 4,47 23,6 42,3
К 22,43 91,3 0,52 0,5 8,1
Мп 36,28 94,0 1,29 0,8 5,2
2п 12,19 82,0 2,72 4,6 13,4
8г 89,7 95,6 8,51 2,3 2,1
РЬ 2,71 47,5 3,99 17,5 35,0
Си 4,54 58,4 4,93 15,9 25,7
Со 26,42 88,8 5,36 4,5 6,7
N1 5,69 54,3 11,2 26,7 19,1
са 15,39 82,5 5,10 6,8 10,7
Рисунок 1 - Профиль почвы на фоновом участке (слева) и в зоне наиболее сильного
загрязнения на ПП-1
Таблица 5 - Морфометрическое описание почвенного профиля на фоновом участке
Шифр горизонта и его границы Характеристика горизонта
А0 0-1,5 см 1,5 Подстилка типа модер; состав: хвоя, шишки, лишайники, мхи. Выделяются три подгоризонта по степени разложения подстилки: А0' - слой свежего опада, А0'' - слой полуразложивше-гося материала (хвоя, кора, мелкие ветки), А0''' - слой перегноя.
Аі 1,5-13,0 см 11,5 Гумусовый горизонт светло-серой окраски пылевато-непрочно-комковатой структуры, связнопесчаный, рыхлый, содержащий гумусовые вещества и корни, свежий.
А2 13-36 см 23 Элювиальный горизонт бурой окраски, бесструктурный, рыхлый, песчаный, содержащий корни и корневины, свежий.
С 36-140 см 104 Иллювиальный горизонт палевой окраски плавно переходящий к материнской породе, песчаный, бесструктурный, рыхлый, свежий.
Таблица 6 - Морфометрическое описание почвенного профиля в зоне наиболее сильного загрязнения__________________________________________________________________________________________
Подстилка типа модер, в которой выделяются три подгоризонта: А0' - неразложившийся прошлогодний опад хвои сосны (1,5 см), мхов и лишайников нет; А0'' - сохраненные формы А0 0-4,5 см органических остатков в значительной степени пропитанные известковой пылью (2 см); А0'''
4,5 - полуразложившиеся хвоя, кора и мелкие ветки, пропитанные известковой пылью (1 см),
содержит мелкие корни. Во всех подгоризонтах происходит бурное вскипание от соляной кислоты.
КТ 4,5-12 см 7,5 Карбонатно-техногенный горизонт серой окраски листовато-пылеватой структуры, плотноватый, супесчаный, влажный, содержащий органические вещества и корни растений.
А1 12-14,5 см 2,5 Темная супесчаная прослойка, являющаяся погребенным гумусовым горизонтом, содержащая мелкие корни диаметром до 0,5 см.
А2 14,5-39 см 24,5 Элювиальный горизонт светло-серой окраски и листовато-пылеватой структуры, рыхлый супесчаный, содержащий скелетные корни и корневины, свежий.
В1 39-70 см 31 Иллювиальный горизонт неоднородной охристо-палево-серой окраски и непрочно-листовато-пылеватой структуры, супесчаный, содержащий мелкие корни, корневины и пятна Fe2Oз, влажноватый.
ВС 70-140 см 70 Переходный горизонт белесовато-палевой окраски, песчаный, бесструктурный, рыхлый, содержащий единичные пятна Fe2O3, свежий.
Таблица 7 - Гранулометрический состав почв на фоновом и наиболее загрязненном участках
Глубина, см Содержание фракций (размер частиц, мм), %
1-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 <0,001 <0,01
Фоновый участок, 1500 м
0-5 63,7 25,0 7,7 1,3 1,8 0,5 3,6
20-25 68,2 26,0 2,5 0,8 1,9 0,6 3,3
40-45 70,5 27,8 0,9 0,1 0,5 0,2 0,8
60-65 65,2 31,8 1,6 0,4 0,7 0,3 1,4
80-85 68,8 28,2 1,7 0,3 0,7 0,3 1,3
95-100 72,6 24,7 1,5 0,3 0,6 0,3 1,2
Наиболее загрязненный участок, 80 м
0-5 2,5 37,9 44,4 6,7 6,3 2,2 15,2
20-25 54,5 27,6 9,0 3,3 5,0 1,1 9,4
40-45 47,9 26,9 12,6 4,4 6,8 1,4 12,6
60-65 51,6 31,3 7,9 2,5 5,1 1,6 9,2
80-85 65,3 30,0 2,5 0,6 1,2 0,4 2,2
95-100 64,7 31,2 2,3 0,5 1,0 0,3 1,8
Таблица 8 - Изменение гранулометрического состава почвы в прикопках
по градиенту загрязнения
Расстояние от завода Содержание фракций (размер частиц, мм), %
1-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 <0,001 <0,01
Слой почвы до 5 см
110 м 2,9 39,9 43,9 5,8 5,5 2,0 13,3
190 м 15,1 41,9 34,3 3,8 3,7 1,2 8,7
280 м 23,1 39,1 28,8 3,7 4,1 1,2 9,0
340 м 30,3 36,7 25,6 3,1 3,4 0,9 7,4
390 м 41,4 36,1 17,2 1,9 2,6 0,8 5,3
Слой почвы от 20 до 25 см
110 м 54,8 29,7 7,2 2,7 4,5 1,1 8,3
190 м 45,2 31,3 11,4 4,0 6,6 1,5 12,1
280 м 47,5 32,3 10,4 3,3 5,2 1,3 9,8
340 м 51,8 28,3 9,7 3,3 5,6 1,3 10,2
390 м 63,4 31,0 2,5 0,6 1,9 0,6 3,1
Таблица 9 - Уравнения регрессии, отражающие зависимость изменения
гранулометрического состава почвы по градиенту известкового загрязнения
Фракция почвы Уравнение Я2
Слой почвы до 5 см
Песок крупный и средний У = 65,99-{1 - ехр[- 2,54-(Х - 0,08)]} 0,981
Песок мелкий У = 100-Х / (12,98-Х2 + 0,40 X +0,34) +20,00 0,996
Пыль крупная У = 39,17-ехр[- 3,28-(Х - 0,08)] + 6,90 0,976
Пыль средняя У = 5,27-ехр[- 5,10-(Х - 0,08)] + 1,30 0,960
Пыль мелкая У = 4,24-ехр[- 4,62-(Х - 0,08)] + 1,85 0,932
Ил У = 1,67-ехр[- 5,87-(Х - 0,08)] + 0,53 0,970
Фракция почвы Уравнение Я2
Физическая глина У = 11,18-ехр[- 5,02-(Х - 0,08)] + 3,68 0,955
Слой почвы от 20 до 25 см
Песок мелкий У = 100-Х / (80,59-Х2 - 20,00 Х +3,78) + 25,0 0,754
Пыль крупная У = 100-Х / (97,99-Х2 - 24,18 Х +3,05) + 2,00 0,601
Пыль средняя У = Х / (1,61-Х2 - 0,26 Х +0,04) 0,597
Пыль мелкая У = Х / (1,95-Х2 - 0,47 Х +0,06) + 1,50 0,647
Ил У = Х / (10,42-Х2 - 2,75 Х +0,33) + 0,50 0,693
Физическая глина У = 100-Х / (44,98-Х2 - 6,20 Х +1,22) 0,600
Примечание: У - содержание фракций в почве, %; X - расстояние от источника загрязнения, км.
Таблица 10 - Физико-химические параметры почвы на фоновом участке и в зоне
максимального загрязнения
Параметр почвы Значения параметра почвы на разной глубине
0-5 см 20-25 см 40-45 см 60-65 см 80-85 см 95-100 см
Фоновый участок, 1500 м
Содержание органического вещества, % 1,40 0,52 0,27 0,23 0,22 0,18
рН солевой 6,75 5,15 5,15 6,35 7,45 5,15
рН водный 6,80 6,40 6,40 6,85 7,50 6,95
Содержание Р2О5, мг/100 г 2,27 3,99 6,99 3,94 3,95 2,97
Содержание К2О, мг/100 г 5,00 1,50 1,00 1,48 0,99 0,99
Гидролитическая кисл-сть, мг-экв./100 г 0,70 0,35 0,70 0,70 0,53 0,70
Обменный Са+2, мг-экв./100 г 0,9 0,5 0,2 0,3 0,3 0,3
Обменный Mg+2, мг-экв./100 г 0,3 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2
Сумма обменных оснований, мг-экв./100 г 1,2 0,6 0,2 0,3 0,4 0,5
Степень насыщенности основаниями, % 64,0 62,5 24,9 27,8 45,9 40,3
Зона максимального загрязнения, 80 м
Содержание органического вещества, % 10,71 0,54 0,81 0,62 0,26 0,22
рН солевой 7,60 7,55 7,55 6,80 7,35 7,15
рН водный 7,85 7,80 8,05 7,60 8,20 7,80
Содержание Р2О5, мг/100 г 2,40 2,97 3,87 5,88 5,88 6,02
Содержание К2О, мг/100 г 12,02 1,98 2,42 1,96 1,47 1,00
Гидролитическая кисл-сть, мг-экв./100 г 0,18 0,18 0,18 0,35 0,18 0,18
Обменный Са+2, мг-экв./100 0 г 2,6 1,0 1,2 1,1 0,6 0,6
Обменный Mg+2, мг-экв./100 г 0,7 0,2 0,2 0,2 0,2 0,1
Сумма обменных оснований, мг-экв./100 г 3,3 1,2 1,3 1,3 0,9 0,6
Степень насыщенности основаниями, % 95,0 87,4 88,5 78,2 83,0 78,0
Таблица 11 - Изменение физико-химические параметров почвы в прикопках
по градиенту загрязнения
Параметр почвы Значения параметра на разном удалении от завода
110 м 190 м 280 м 340 м 390 м
Слой почвы до 5 см
Содержание органического вещества, % 16,22 12,98 11,25 10,78 10,33
рН солевой 7,55 7,45 7,45 7,40 7,40
рН водный 7,75 7,80 7,80 7,80 7,85
Содержание Р2О5, мг/100 г 4,95 29,85 19,61 12,25 13,76
Содержание К2О, мг/100 г 12,38 14,93 12,25 9,80 6,88
Гидролитическая кислотность, г-экв./100 г 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18
Обменный Са+2, мг-экв./100 г 1,8 2,2 1,2 1,2 1,1
Обменный Mg+2, мг-экв./100 г 0,2 0,2 0,1 0,1 0,0
Сумма обменных оснований, мг-экв./100 г 2,0 2,4 1,2 1,2 1,1
Степень насыщенности основаниями, % 91,9 93,3 87,6 87,7 86,6
Окончание таблицы 11
Параметр почвы Значения параметра на разном удалении от завода
110 м 190 м 280 м 340 м 390 м
Слой почвы от 20 до 25 см
Содержание органического вещества, % 0,68 0,76 0,81 0,67 0,56
рН солевой 7,50 7,25 7,20 7,20 7,30
рН водный 8,10 7,85 7,95 7,95 7,35
Содержание Р2О5, мг/100 г 7,94 16,90 7,87 3,92 10,72
Содержание К2О, мг/100 г 2,98 1,99 1,47 0,98 1,96
Гидролитическая кислотность, мг-экв./100 г 0,18 0,18 0,18 0,35 0,35
Обменный Са+2, мг-экв./100 0 г 1,5 1,7 1,9 1,5 1,2
Обменный Mg+2, мг-экв./100 г 0,2 0,2 0,2 0,1 0,1
Сумма обменных оснований, мг-экв./100 г 1,7 1,8 2,0 1,6 1,2
Степень насыщенности основаниями, % 90,7 91,4 92,1 81,8 78,1
Таблица 12 - Уравнения регрессии, отражающие зависимость изменения
физико-химических параметров почв по градиенту известкового загрязнения
Показатель Уравнение Я2
Слой почвы до 5 см
рН солевой У = 0,87-ехр[- 1,38-(Х - 0,08)] + 6,75 0,940
рН водный У = 1,14-ехр[- 1,05-(Х - 0,08)] + 6,80 0,803
Содержание органического вещества, % У = 14,15-ехр[- 1,18-(Х - 0,08)] 0,831
Содержание Р2О5, мг/100 г У = 100-Х / (103,08-Х2 - 41,28Х +4,78) 0,939
Содержание К2О, мг/100 г У = 100-Х / (86,85-Х2 - 17,93Х +2,07) + 4,00 0,895
Обменный Са+2, мг-экв/100 г У = 1,59-ехр[- 5,40-(Х - 0,08)] + 0,85 0,816
Сумма обменных оснований, мг-экв/100 г У = 1,94-ехр[- 8,99-(Х - 0,08)] + 1,09 0,805
Степень насыщенности основаниями, % У = 45,11-ехр[- 0,78-(Х - 0,08)] + 50,00 0,981
Слой почвы от 20 до 25 см
рН солевой У = 2,67-ехр[- 1,14-(Х - 0,08)] + 5,15 0,864
рН водный У = 1,70-ехр[- 1,30-(Х - 0,08)] + 6,40 0,822
Содержание органического вещества, % У = Х / (53,81-Х2 - 19,86Х +2,47) + 0,50 0,799
Содержание Р2О5, мг/100 г У = 100-Х / (127,22-Х2 - 40,83Х +4,33) 0,610
Содержание К2О, мг/100 г У = 1,08-ехр[- 6,78-(Х - 0,08)] + 1,40 0,426
Обменный Са+2, мг-экв/100 г У = Х / (1,99-Х2 - 0,26Х +0,08) 0,910
Сумма обменных оснований, мг-экв/100 г У = Х / (4,30-Х2 - 0,97Х +0,16) + 0,5 0,882
Степень насыщенности основаниями, % У = Х / (0,15-Х2 - 0,02Х +0,003) + 60 0,932
Примечание: X - расстояние от источника загрязнения, км.
В слое почвы до 5 см по мере удаления от завода происходит постепенное уменьшение содержания органики (от 16,2 до 1,4%), обменного кальция (от 2,6 до 0,9 мг-экв./100 г) и магния (от 0,7 до 0,1 мг-экв./100 г), а также значений степени насыщенности основаниями (от 95 до 64%). Содержание подвижных форм фосфора и калия изменяется по градиенту загрязнения куполообразно с максимумом на расстоянии 190-200 м от завода. Значения же гидролитической кислотности этого слоя почвы по градиенту загрязнения практически не изменяются. Значения многих химических показателей в слое почвы 20-25 см изменяются по градиенту загрязнения куполообразно с максимумом на расстоянии 180220 м от завода, что связано, вероятно, с
работой в прежние годы менее эффективных пылеуловителей, обусловивших мощное выпадение аэральных выбросов именно в этой зоне.
Еще более значительно под влиянием выбросов изменилось валовое содержание в верхних слоях почвы многих зольных элементов, концентрация которых в зоне наибольшего загрязнения увеличилась по сравнению с фоном многократно (таблица 13). Особенно сильно возросла концентрация кальция (в 341,4 раза!), как основного загрязнителя, а также хрома и стронция, на фоновом участке не обнаруженных. В слоях почвы глубже 20 см концентрация элементов резко падает до уровня фонового участка или даже
и в зоне максимального загрязнения
Элемент Содержание зольных элементов на различной глубине, мг/кг
0-5 см 20-25 см 40-45 см 60-65 см 80-85 см 95-100 см
Фоновый участок, 1500 м
Са 451,5 531,3 72,4 115,5 110,2 116,0
Бе 547,3 749,6 538,8 489,1 475,8 446,7
К 28,36 50,38 54,96 61,89 63,26 54,39
Мп 32,02 4,78 9,40 7,01 7,27 6,43
2п 1,72 4,28 1,66 4,86 1,71 3,13
РЬ 0,80 0,66 0,53 0,58 0,55 0,59
Со 0,31 0,32 0,32 0,30 0,30 0,29
N1 0,19 0,53 0,76 0,52 0,57 0,62
Си 0,19 0,17 0,16 0,19 0,17 0,11
еа 0,10 0,09 0,13 0,13 0,13 0,13
Зона максимального известкового загрязнения, 80 м
Са 154142,7 82,1 183,0 108,5 132,8 130,0
Бе 3044,8 314,8 496,7 586,9 372,6 314,6
К 347,50 55,13 101,40 125,90 55,03 48,52
Мп 50,49 2,12 3,82 4,92 2,53 2,06
Сг 30,88 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
8г 24,97 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
2п 17,48 1,13 2,15 1,82 0,88 0,75
РЬ 9,52 0,65 0,94 0,85 0,62 0,67
Со 4,10 0,23 0,40 0,43 0,26 0,21
N1 2,60 0,27 0,60 1,30 1,09 0,28
Си 4,52 0,00 0,19 0,32 0,18 0,21
еа 1,37 0,10 0,13 0,13 0,14 0,14
ниже его. Содержание зольных элементов, кроме кальция, в верхнем слое почвы на наиболее загрязненном участке ниже, чем в подстилке, а на фоновом участке, наоборот, выше (таблица 14).
Содержание всех зольных элементов в верхних горизонтах почвы закономерно изменяется, как показали расчеты, по градиенту загрязнения (таблица 15), что аппроксимируют с высокой точностью соответствующие уравнения регрессии (таблица 16). Особенно значительные изменения происходят в слое почвы до 5 см: концентрация всех металлов, кроме марганца, здесь возрастает по мере увеличения загрязнения почвы. В более глубоких слоях почвы характер изменения концентрации элементов иной.
Заключение
Длительное воздействие выбросов завода силикатного кирпича привело к изменению морфометрической структуры песчаных почв, их гранулометрического состава, физических и химических параметров в сторону
улучшения лесорастительных свойств. Хотя изменения затронули в основном подстилку и верхний слой почвы, но окраска всего профиля почвы сменилась на серые тона, что свидетельствует о восстановлении в щелочной среде окисного железа и вмывании органических веществ. Под влиянием богатых основаниями пылевых выбросов в почвах прекратился процесс подзолообразования. Негативным моментом является привнос с выбросами соединений стронция, хрома и кобальта.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 20072013 годы» (государственный контракт № 16.552.11.7050 от 29 июля 2011 г.) с использованием оборудования ЦКП ФГБОУ ВПО МарГТУ «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей».
Таблица 14 - Отношение содержания зольных элементов в подстилке
и верхнем слое почвы_________________________________________________________________________
Элемент Отношение содержания элементов Элемент Отношение содержания элементов
в фоне при макс. загрязнении в фоне при макс. загрязнении
Са 7,13 3,34 РЬ 6,60 0,42
К 14,32 0,45 са 4,70 0,49
2п 14,13 0,43 Со 2,77 0,54
Си 13,89 0,53 Бе 1,53 0,25
Мп 12,70 0,87 8г - 0,44
N1 9,00 0,38 Сг - 0,31
Таблица 15 - Характер изменения содержания зольных элементов в прикопках по градиенту загрязнения_________________________________________________________________________________
Элемент Содержание зольных элементов на разном удалении от завода, мг/кг
110 м 190 м 280 м 340 м 390 м
Слой почвы до 5 см
Са 165957,7 109889,1 68631,8 39712,6 18926,9
Бе 3501,1 3499,3 2728,4 2610,9 2366,3
К 356,50 267,70 205,90 176,30 156,80
Мп 60,29 63,79 74,96 103,10 131,60
2п 16,14 13,99 10,28 9,64 11,59
Сг 30,65 15,57 10,61 8,10 4,61
8г 24,74 12,38 7,71 6,05 3,56
РЬ 9,86 6,10 4,46 4,44 4,17
N1 3,85 4,15 2,57 2,34 2,04
Си 5,60 3,22 2,38 1,79 1,67
Со 4,09 2,24 1,62 1,38 1,16
Са 1,31 0,70 0,46 0,40 0,38
Слой почвы от 20 до 25 см
Са 72,7 65,5 77,5 80,5 103,7
Бе 769,5 825,2 859,5 1706,3 763,7
К 60,72 83,08 82,97 70,49 49,17
Мп 5,66 5,85 11,49 10,77 6,36
2п 1,84 3,23 2,73 4,10 5,21
Сг 0,00 0,87 0,91 0,00 0,00
8г 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
РЬ 0,78 0,83 0,78 0,81 0,67
N1 0,65 0,95 1,12 0,88 0,71
Си 0,22 0,29 0,20 0,47 0,56
Со 0,38 0,45 0,45 0,44 0,35
Са 0,12 0,12 0,13 0,13 0,12
Таблица 16 - Уравнения регрессии, отражающие зависимость изменения содержания в почве зольных элементов по градиенту известкового загрязнения___________________________________
Содержание элемента, мг/кг Уравнение Я2
Слой почвы до 5 см
Кальция У = 172445,0-ехр[- 5,05-(Х - 0,08)] 0,955
Железа У = 3485,69-ехр[- 1,16-(Х - 0,08)] 0,931
Кадмия У = 1,30-ехр[- 6,20-(Х - 0,08)] + 0,13 0,981
Калия У = 341,50-ехр[- 3,03-(Х - 0,08)] + 22,98 0,990
Кобальта У = 3,96-ехр[- 5,45-(Х - 0,08)] + 0,34 0,978
Марганца У = 100-Х / (1,64-Х2 - 0,36Х +0,26) 0,709
Меди У = 5,07-ехр[- 3,97-(Х - 0,08)] + 0,13 0,928
Никеля У = 3,61-ехр[- 1,51-(Х - 0,08)] 0,754
Свинца У = 9,03-ехр[- 3,87-(Х - 0,08)] + 0,88 0,964
Стронция У = 26,55-ехр[- 6,09-(Х - 0,08 )] 0,981
Хрома У = 32,73-ехр[- 5,78-(Х - 0,08 )] 0,980
Цинка У = 16,22-ехр[- 2,01-(Х - 0,08)] + 0,89 0,957
Слой почвы от 20 до 25 см
Содержание элемента, мг/кг Уравнение Я2
Кальция У = 339,70 Х + 4,51 0,960
Кадмия У = Х / (59,37-Х2 - 9,08 Х +3,68) + 0,08 0,892
Калия У = 100-Х / (86,26-Х2 - 36,99 Х + 4,44) + 48,0 0,854
Кобальта У = Х / (19,31-Х2 - 5,39 Х +1,08) + 0,19 0,609
Марганца У = 100-Х / (17,08-Х2 - 2,12 Х +2,38) 0,650
Меди У = 100-Х / (586,66-Х2 - 458,64 Х +163,70) 0,757
Никеля У = Х / (11,20-Х2 - 4,31 Х +0,66) + 0,20 0,784
Свинца У = Х / (52,51-Х2 - 16,03 Х +2,02) +0,62 0,698
Цинка У = 3,44{1 - ехр[- 7,10-(Х - 0,08)]} + 1,14 0,822
Примечание: Х - расстояние от источника загрязнения, км.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ковда, В.А. Основы учения о почвах / В.А. Ковда. - М.: Наука, 1973. Т. 1. - 447 с.
2. Розанов, Б.Г. Почвенный покров земного шара / Б.Г. Розанов. - М.: Изд-во МГУ, 1977. - 248 с.
3. Захаров, К.К. Основы почвоведения и географии почв / К.К. Захаров. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 1999. - 342 с.
4. Добровольский, Г.В. Экологические функции почвы / Г.В. Добровольский, Е.Д. Никитин. - М.: Изд-во МГУ, 1986. - 113 с.
5. Соколов, И.А. Теоретические проблемы генетического почвоведения / И.А. Соколов. -Новосибирск: Гуманитарные технологии, 2004. - 288 с.
6. Рэуце, К. Борьба с загрязнением почвы / К. Рэуце, С. Кырстя. - М.: Агропромиздат, 1986. - 222 с.
7. Аммосова, Я.М. Охрана почв от химических загрязнений / Я.М. Аммосова, Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 96 с.
8. Влияние атмосферного загрязнения на свойства почв / Под ред. Л.А. Гришиной - М.: Изд-во МГУ, 1990. - 205 с.
9. Армолайтис, К.Э. Влияние выбросов цементного завода на физико-химические свойства лесных почв / К.Э. Армолайтис, М.В. Вайчис, Л.В. Кубяртавичене, А.Д. Рагуотис // Почвоведение. - 1995. - №9. - С. 1160-1165.
10. Шелухо, В.П. Изменение сосновых биогеоценозов зоны широколиственных лесов при хроническом воздействии веществ щелочного типа / В.П. Шелухо: автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук. - Брянск: БГИТА, 2003. - 34 с.
11. Лукина, Н.В. Пространственная изменчивость кислотности почв в процессе техногенной сукцессии лесных биогеоценозов / Н.В. Лукина, Т.Т. Горбачева, В.В. Никонов, М.А. Лукина // Почвоведение. - 2003. - №1. - С. 33-47.
12. Ладонин, Д.В. Соединения тяжелых металлов в почвах - проблемы и методы изучения / Д.В. Ладонин // Почвоведение. - 2003. - №6. - С. 682-692.
13. Чжан, С.А. Исследование почв территории промышленного воздействия / С.А. Чжан, О.А. Пузанова // Системы. Методы. Технологии. - 2007. - №1. - С. 93-96.
14. Воробейчик, Е.Л. Влияние отдельных деревьев на рН и содержание тяжелых металлов в лесной подстилке в условиях промышленного загрязнения / Е.Л. Воробейчик, П.Г. Пищулин // Почвоведение. - 2009. - №8 - С. 927-939.
15. Сабиров, А.Т. Мониторинг лесных земель: учебное пособие / А.Т. Сабиров, А.Х. Газизуллин. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 1996. - 72 с.
16. Алексеев, И.А. Влияние газопылевых выбросов на состояние сосновых биогеоценозов / И.А. Алексеев, А.Т. Сабиров, А.В. Михеев // Влияние атмосферного загрязнения и других антропогенных и природных факторов на дестабилизацию состояния лесов центральной и восточной Европы: Тез. докл. международ. науч. конф. - М.: МЛТИ, 1996. Т.1. - С. 41-43.
17. Демаков, Ю. П. Использование метода тканевой абсорбции для оценки аэральных выпадений пыли / Ю. П. Демаков, М. И. Майшанова, С. М. Швецов // Теоретические и приклад-
ные проблемы науки и образования в 21 веке: сб. науч. тр. по материалам международной заоч. науч.-практ. конф., 31 января 2012 г: в 10 частях. - Тамбов, 2012. — Ч. 2. - С. 53-55.
18. ОСТ 56-81-84 Полевые исследования почвы. Порядок и способы проведения работ, основные требования к результатам.
19. ГОСТ 26483-85. Охрана природы. Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение её рН по методу ЦИНАО.
20. ГОСТ 26212-84. Охрана природы. Почвы. Определение гидролитической кислотности по методу Каппена в модификации ЦИНАО.
21. ГОСТ 26213-84. Охрана природы. Почвы. Определение подвижных форм фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО.
22. ГОСТ 26487-85. Охрана природы. Почвы. Определение обменного кальция и обменного (подвижного) магния методом ЦИНАО.
23. Методика выполнения измерений валового содержания меди, кадмия, цинка, свинца, никеля, марганца, кобальта, хрома методом атомно-абсорбционной спектроскопии. - М.: ФГУ ФЦАО, 2007. - 20 с.
