CC BY
20ЭКОЛОГИЯ
УДК 551.577.13 DOI: 10.52245/26867109_2023_5_121
ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ ОСНОВНЫХ ИОНОВ В АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКАХ НА СТАНЦИИ ФОНОВОГО МОНИТОРИНГА ЯЙЛЮ С 2011 ПО 2021 г.
Галушин Д. А.1'2, Жигачева Е. С.1, Громов С. А.1'3
1ФГБУ «Институт глобального климата и экологии им. ак. Ю. А. Израэля», Москва, Россия.
2ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева», Москва, Россия. E-mail: galushin2012@yandex.ru 3ФГБУН «Институт географии Российской Академии Наук», Москва, Россия.
E-mail: gromov@igras.ru
Аннотация: В статье представлена обобщенная информация о результатах наблюдений за содержанием основных ионов в атмосферных осадках (сульфаты, нитраты, аммоний и кальций) на станции комплексного фонового мониторинга Яйлю в Алтайском государственном биосферном заповеднике. Проанализированы изменения концентраций и рассчитанных влажных выпадений соединений серы и азота с атмосферными осадками за 10-тилетний период (2011-2021). Как показывают исследования динамики характеристик загрязнения осадков, в 2021 году, по сравнению с 2020 гг., отмечается рост концентраций основных ионов: для сульфатов увеличение достигает 35%, для нитратов и аммония - на 85 и 98%, соответственно. Данные многолетних наблюдений представлены в таблицах количественных значений средних концентраций и сумм выпадений для станции.
Ключевые слова: Алтайский биосферный заповедник, атмосферные осадки, влажные выпадения, сульфаты, нитраты, аммоний, кальций.
DYNAMICS OF MAJOR ION CONTENTS IN ATMOSPHERIC PRECIPITATION AT THE YAILU BACKGROUND MONITORING STATION FROM 2011 TO 2021
Galushin D.A.1'2, Zhigacheva E.S.1, Gromov S.A.1'3
1Yu.A. Izrael Institute of Global Climate and Ecology, Moscow 2Russian State Agrarian University - MTAA named K.A. Timiryazev, Moscow, Russia.
E-mail: galushin2012@yandex.ru 3Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.
E-mail: gromov@igras.ru
Abstract: The article presents general information on the observation results on the major ions in precipitation (sulphates, nitrates, ammonium and calcium) at the background monitoring station Yailu in the Altaisky State Nature Biosphere Reserve. We analyzed changes in atmospheric precipitation concentrations and calculated wet deposition of sulfur and nitrogen compounds over a 10-year period (2011-2021). According the study on the dynamics of the characteristics of precipitation pollution, there is an increase in the concentrations of the main ions by 2021 compared to 2020: for sulfates, the increase reaches 35%, for nitrates and ammonium - by 85 and 98%, respectively. The data of long-term observations are presented in tables of averaged concentrations in precipitation and sums of wet deposition for the Yailu station.
Keywords: Altaisky State Nature Biosphere Reserve, atmospheric precipitation, wet deposition, sulfates, nitrates, ammonium, calcium.
ВВЕДЕНИЕ
Глобальное и региональное антропогенное воздействие на окружающую среду безусловно является одной из важных проблем в мире. Его влияние прослеживается в районах, значительно удаленных от источников выбросов, и исследования характера поступления загрязняющих веществ и его роли в природных процессах рассматривались в качестве важных при формировании концепции биосферных заповедников [Герман, Барон, 1982]. Исторически об этой проблеме в региональном аспекте впервые начали много говорить не только в научной среде, когда ученые обнаружили и показали, что многие загрязняющие вещества способны распространяться с помощью атмосферного переноса на большие расстояния. С некоторыми из выбрасываемых веществ, поступающих от распространенных источников, например, предприятий электроэнергетики на ископаемом топливе, металлургических и химических производств, в процессе переноса в атмосфере происходит ряд химических преобразований. В результате такой трансформации с участием составляющих атмосферного воздуха и энергии от солнца газообразные оксиды
121
серы и азота подвергаются дальнейшему окислению, растворяются, взаимодействуя, в водяных каплях и образуют кислоты и кислотные соединения, что в итоге приводит к выпадению кислотных дождей из атмосферы [Израэль, 1989]. В свою очередь «кислотные» дожди негативно влияют на окружающую среду в разной степени, а именно, вызывают угнетение зеленых насаждений, изменение свойств почв, особенно бедных основными катионами, приводят к закислению водоемов, негативно влияют на состояние флоры и фауны экосистем.
Одним из способов оценки состояния загрязнения атмосферы может служит использование данных о химическом составе отбираемых регулярно атмосферных осадков. На конец 2020 года в России функционировало 149 пунктов наблюдения за химическим составом атмосферных осадков (ХСО), работающих по единой методике отбора с использованием одинаковых устройств в соответствии с нормативным руководящим документом (РД) РД 52.04.878 - 2019 [РД, 2019]. В зависимости от периода отбора, установленного для наблюдений на пунктах, пробы осадков делятся на недельные, декадные и месячные. Научно-методическое руководство сетью мониторинга и химический анализ проб выполняются Главной геофизической обсерваторией им. Воейкова (ФГБУ «ГГО»), а также лабораториями Управлений по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Росгидромета (УГМС).
Все лаборатории сети ХСО для анализа содержания растворенных веществ используют методы, указанные в нормативных документах РД 52.04.186-89 [РД, 1991], РД 52.04.167-2018 [РД, 2018] РД 52.04.333-93 [РД, 1993]. Для определения сульфатов применялся турбидиметрический метод анализа, нитраты и аммоний определялись при использовании фотоколориметрии, а содержания кальция в атмосферных осадках - с использованием атомно-абсорбционной спектроскопии.
Обобщенные результаты наблюдений ежегодно публикуются в «Обзоре состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации», а также в ежегодниках «Состояние загрязнения городов в РФ» (выпускается ФГБУ «ГГО»). К сожалению, из указанных изданий невозможно получить информацию по отдельным регионам и пунктам мониторинга, которая представляет научно-практический интерес, в частности, для исследований на территории заповедников или водосборов отдельных водных объектов.
Цель исследования нашей работы заключалась в анализе данных наблюдений за химическим составом атмосферных осадков на территории западной части Алтайского заповедника (с. Яйлю), а также оценка уровней концентраций и выпадения основных ионов, определяющих кислотность атмосферных осадков, за последние 10 лет.
Задачи исследования:
- Собрать и систематизировать данные о ХСО на станции Яйлю за период с января 2011 по декабрь 2021 г.; произвести первичную и статистическую обработку данных.
- Провести расчеты выпадений загрязняющих веществ с атмосферными осадками.
- Построить графики изменения концентраций содержания веществ в атмосферных осадках, а также их выпадений, проанализировать их уровни и динамику.
Место исследований: станция комплексного фонового мониторинга (СКФМ) Яйлю (в границах Алтайского заповедника), на площадке наблюдений которой проводится отбор проб атмосферных осадков для определения их химического состава, с координатами: 51.768 гр. с.ш., 87.604 гр. в.д. Станция располагается на северном берегу Телецкого озера (рисунок 1).
Алтайский природный заповедник был создан в 1932 году. Его расположение на стыке горных систем Алтая и Саян является причиной выраженного разнообразия ландшафтов - от таежных низкогорий до альпийских лугов. Он занимает второе место в России по видовому разнообразию видов растений и животных. На его территории обитают редкие виды животных, например, снежный барс и алтайский горный баран аргали. Алтайский заповедник и Телецкое озеро с 1998 года являются объектами Всемирного природного наследия ЮНЕСКО «Золотые горы Алтая». В 2009 году Алтайскому заповеднику присвоен статус биосферного.
Первые постоянные метеонаблюдения на Телецком озере начались в 1919 году. В 1931 году в селе Яйлю была организована метеостанция, работавшая до 1965 г. только как метеорологическая II разряда. После расширения состава работ в область гидрологических, ледовых, гидрохимических и других исследований, организации наблюдений за фоновым состоянием и загрязнением природной среды в 1994 году она была преобразована в станцию комплексного фонового мониторинга окружающей среды (СКФМ) [Лукашева, 2020]. В 2012 году на территории заповедника была установлена автоматическая метеостанция, предназначенная для получения данных для исследований климатических изменений [РИА Новости, 2012]. Другое дополнительное метеорологическое оборудование (датчики измерения температуры и влажности на разных уровнях) было предоставлено заповеднику в рамках проекта ПРООН/ГЭФ «Сохранение биоразнообразия в российской части Алтай-Саянского экорегиона».
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Отбор проб атмосферных осадков проводится с использованием рекомендаций Глобальной службы атмосферы Всемирной метеорологической организации (ГСА ВМО), проба отбирается в открывающийся
122
во время дождя осадкосборник и накапливается в общую емкость в течение недели. Собранные пробы отправляются в региональную лабораторию для проведения анализа.
В рамках исследования для получения средних значений мы использовали метод получения средневзвешенных концентраций, который был рекомендован ВМО и принят ФГБУ «ГГО» для обработки данных ХСО. Метод учитывает для содержания ионов количество атмосферных осадков, средневзвешенные годовые значения рассчитываются по формуле:
Ег=1 с( * 41
С =
Z?=i 4t
1(=1'
где Ci - концентрация ионов в недельных/месячных пробах осадков (мг/л); qi - недельная/месячная сумма осадков (мм); п - число недель/месяцев с осадками.
Оценка расхождения средних значений была сделана в ФГБУ «ГГО» путем эксперимента сопоставления парных наблюдений. Как показали результаты, на фоновых станциях разницы в средних оказались незначительными при 99% доверительном уровне. [Свистов, 2016]
Величина выпадений загрязняющих веществ на территории зависит не только от уровня концентрации, но и, в определенной степени, от количества выпавших осадков. Влажные выпадения для района станции рассчитывали по следующей формуле:
P = ^Ci*qi* 10-
i=i
где P - влажные выпадения, г/м2;
Ci - концентрация ионов (мг/л)
qi - недельная/месячная сумма осадков (мм);
n - число недель/месяцев с осадками.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Полученные оценки можно считать предварительными, так как в соответствии с оценками группы экспертов ГСА ВМО ряды наблюдений, по которым проводится исследование, являются короткими [Vet et al, 2014]. В таблице 1 приведены результаты расчетов средневзвешенных годовых концентраций серу-и азотсодержащих ионов, а также рН в атмосферных осадках.
Сравнение данных 2021 года с результатами в 2020 году показывает, что наблюдалось резкое повышение концентрации сульфатов, нитратов, аммония и кальция в атмосферных осадках в исследуемом районе. Содержание сульфатов возросло на 31% по сравнению с 2020 годом, до уровня в 2,37 мг/л. Если рассматривать по отношению к начальному году периода (2011 г.), то рост составил более 90%. В целом, повышение сульфатов наблюдалось на протяжении всего периода наблюдений, однако в 2013 году зарегистрировано некоторое снижение их содержания в осадках с 1,50 до 1,26 мг/л. В 2018 году снижение было более существенным - с 2,10 мг/л до 1,39 мг/л, что в процентном выражении составляет 34%.
Как правило, среди источников выбросов соединений серы в атмосферу (в газовой фазе, до 95%) лидирующие позиции занимает угольная промышленность и металлургия [Першина, 2021]. В регионе расположен Мунайский угольный разрез - угледобывающее предприятие и месторождение в Солтонском районе Алтайского края, в 2013 - 2015 годах добыча угля на котором не велась. Именно в эти годы на СКФМ Яйлю зафиксированы наименьшие значения концентрации сульфатов в осадках. В 2018 году Мунайский угольный разрез был расконсервирован, и добыча возобновилась [Мунайский..., 2018], а вместе с этим в атмосферных осадках наблюдалось повышение сульфатов, что продолжается по настоящее время (рисунок 2).
Содержание соединений окисленного азота в районе СКФМ Яйлю характеризуются региональными фоновыми уровнями значений концентраций в атмосферных осадках. За исследуемый период средние концентрации нитратов в осадках соответствовали уровню 0,7 - 0,9 мг/л. В 2012 и 2021 гг. наблюдались повышенные значения их концентрации - 1,11 и 1,26 мг/л, соответственно (рисунок 2).
Содержания аммония и кальция в атмосферных осадках на станции Яйлю имеют схожую динамику в 2011-2021 гг. В большинстве случаев концентрации не превышают 0,6 мг/л. Коэффициент графика линейной аппроксимации тренда для этих веществ будет близок - 0,032 и 0,035 в год, что говорит о постепенном повышении уровней концентраций (величины региональных фоновых изменений).
В таблице 2 приведены значения выпадений соединений серы и азота, кальция с атмосферными осадками за период с 2011 по 2021 гг. Для всех рассматриваемых веществ мы наблюдаем увеличение потоков влажных выпадений. Годовая сумма влажных выпадений сульфатов не превышала 2 г/м2, с максимальным значением в 2017 году - 1,88 г/м2, а самая низкая интенсивность влажных выпадений серы была зафиксирована в 2011 году, вместе с наименьшей суммой осадков - 0,82 г/м2 (рисунок 3). В 2018 году произошло резкое снижение выпадения сульфатов -до 1,13 г/м2, что составило снижение на 39% по сравнению с предыдущим годом, при этом сумма годовых осадков изменилась не более, чем на 10%.
3
Выпадения нитратов за исследуемый период не превышали 1 г/м2. Максимальные значения годового потока были отмечены в 2012 и 2021 гг. - 0,88 и 0,97 г/м2, тем не менее, перед этими годами наблюдались минимальные суммы выпадения - 0,56 г/м2. В течение периодов 2011-2012 и 2020-2021 гг. выпадения увеличились на 59 и 72%, соответственно.
Выпадения аммония и кальция в большинстве случаев не превышает 0,6 г/м2, однако в 2021 году были зафиксированы максимальные значения - 0,78 г/м2. Минимальные значения выпадений характерны для 2011 - 2014 гг.: от 0,33 до 0,38 мг/м2 для аммония и 0,23 - 0,34 мг/м2 для кальция.
ВЫВОДЫ
По результатам наблюдений за период 2011-2021 гг. содержания основных загрязняющих ионов в атмосферных осадках на СКФМ Яйлю имеют тенденции к их повышению. Количественные оценки могут быть достоверно получены при использовании более длинного ряда наблюдений.
Основным загрязняющим веществом в атмосферных осадках являются сульфаты, максимальная концентрация и выпадение которых наблюдалось в последние 5-6 лет периода анализа данных, а минимальные концентрации характерны для 2011 года.
Содержание соединений азота в выпадениях в регионе СКФМ Яйлю характеризуются региональными фоновыми уровнями в атмосферных осадках и характерным фоновым изменением концентраций.
Исследование выполнено в рамках тем НИОКТР АААА-А20-120020490070-3 «Развитие и модернизация методов и технологий комплексного фонового мониторинга и комплексной оценки состояния и загрязнения окружающей среды РФ и ее динамики (по интегрированным результатам сетей мониторинга Росгидромета)» и АААА-А20-120013190049-4 «Развитие методов и технологий мониторинга загрязнения природной среды вследствие трансграничного переноса загрязняющих веществ (ЕЭК ООН: ЕМЕП, МСП КМ) и кислотных выпадений в Восточной Азии (EAНET)» (План НИТР Росгидромета на 2022 г., т.4.5 и 4.4.). Статистический анализ данных наблюдений выполнен в рамках Госзадания № АААА-А19-119022190168-8 Института географии РАН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Герман Р., Барон Дж. Мониторинг окружающей среды в национальных парках - биосферных заповедниках // Биосферные заповедники. Тр. II Советско-американского симпозиума / Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - С. 238-246.
2. Израэль Ю. А., Назаров И. М., Прессман А. Я., Ровинский Ф. Я., Рябошапко А. Г., Филиппова Л. М. Кислотные дожди. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 272 с.
3. Лукашева М.А. История и задачи инструментальных наблюдений в бассейне Телецкого озера // Полевые исследования в Алтайском биосферном заповеднике, №2, 2020. - С. 81-88.
4. Мунайский угольный разрез начал работать после смены собственника - МК, 2018. [Электронный ресурс]. - URL: https://brl.mk.ru/articles/2018/03/15/munayskiy-ugolnyy-razrez-nachal-rabotat-posle-smeny-sobstvennika.html (Дата обращения: 02.12.2022)
5. Першина Н. А., Полищук А. И., Павлова М. Т., Семенец Е. А. Ежегодные данные по химическому составу и кислотности атмосферных осадков за 2016 - 2020 гг. - Санкт - Петербург: Амирит, 2021. - 114 с.
6. РИА Новости. Новая метеостанция Алтайского заповедника поможет в изучении климата / Козлова Е. // РИА Новости. Наука, 2012 [Электронный ресурс]. - URL: https:// ria.ru/20120827/731514692.html (дата обращения 06.12.2022)
7. РД 52.04.167-2018. Массовая концентрация кальция, магния и цинка в атмосферных осадках и аэрозолях. Методика измерений атомно-абсорбционным методом с атомизацией в пламени - С.-Пб: ГГО, 2018. - 45 с.
8. РД 52.04.186-89: Руководство по контролю загрязнения атмосферы - Москва: Госкомгидромет СССР, 1991. - 693 с.
9. РД 52.04.333-93. Методические указания. Хроматографический метод определения содержания хлоридов, нитратов, сульфатов, лития, натрия, аммония и калия в атмосферных осадках - Москва: Госкомгидро-мет Российской Федерации, 1993. - 50 с.
10. РД 52.04.878-2019. Отбор проб при наблюдениях за химическим составом атмосферных осадков -С.-Пб: ГГО, 2019. - 20 с.
11. Свистов П. Ф., Першина Н. А., Полищук А. И., Павлова М. Т., Семенец Е. С. Ежегодные данные по химическому составу и кислотности атмосферных осадков за 2011 - 2015 гг. - Санкт - Петербург: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2016. - 116 с.
12. Vet R., Artz R.S. , Carou S., Shaw M., Ro C.-U., Aas W., Baker A., Bowersox V.C., Dentener F., Galy-Lacaux C., Hou A., Pienaar J.J., Gillett R., Forti M.C., Gromov S., Hara H., Khodzher T., Mahowald N.M., Nickovic S., Rao P.S.P., Reid N.W. A global assessment of precipitation chemistry and deposition of sulfur, nitrogen, sea salt, base cations, organic acids, acidity and pH, and phosphorus. // Atmospheric Environment. - 2014. - Vol. 93. - P. 3-100
Таблица 1 - СРЕДНЕВЗВЕШЕННЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ В ОСАДКАХ НА СТАНЦИИ ЯЙЛЮ, 2011 - 2021 гг._
год сумма осадков (мм) сульфат (мг/л) нитрат (мг/л) аммоний (мг/л) кальций (мг/л) рН (ед. рН)
2011 674 1,21 0,83 0,55 0,57 5,95
2012 795 1,50 1,11 0,44 0,29 5,45
2013 1027 1,26 0,61 0,37 0,43 5,85
2014 936 1,25 0,56 0,35 0,36 5,67
2015 912 1,39 0,79 0,39 0,57 5,76
2016 824 1,92 0,76 0,52 0,49 5,68
2017 895 2,10 0,80 0,71 0,58 5,80
2018 811 1,39 0,78 0,55 0,66 6,28
2019 946 1,83 0,87 0,59 0,58 5,99
2020 825 1,81 0,68 0,51 0,38 5,88
2021 769 2,37 1,26 1,01 1,01 6,32
Таблица 2 - ВЫПАДЕНИЯ СУЛЬФАТОВ, НИТРАТОВ, АММОНИЯ И КАЛЬЦИЯ С ОСАДКАМИ
[А СТАНЦИ И ЯЙЛЮ, 2011 - 2021 гг.
год сумма осадков (мм) сульфат (г/м2) нитрат (г/м2) аммоний (г/м2) кальций (г/м2)
2011 674 0,82 0,56 0,37 0,38
2012 796 1,19 0,88 0,35 0,23
2013 1027 1,29 0,63 0,38 0,45
2014 936 1,17 0,53 0,33 0,34
2015 912 1,27 0,72 0,36 0,52
2016 825 1,58 0,63 0,43 0,40
2017 895 1,88 0,72 0,64 0,52
2018 811 1,13 0,63 0,45 0,54
2019 946 1,73 0,83 0,56 0,55
2020 825 1,49 0,56 0,42 0,31
2021 769 1,82 0,97 0,78 0,78
Рисунок 1 - Карта района наблюдений (СФМ Яйлю)
125
Рисунок 2 - Динамика средневзвешенных значений концентраций ионов в атмосферных осадках в 2011 - 2021 гг.
Рисунок 3 - Динамика выпадений ионов с атмосферными осадками в 2011 - 2021 гг.
