CC BY
455
С.А. Кырова, И. С. Швабенланд, В.В. Кыров
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕРРИТОРИИ АБАКАНО-ЧЕРНОГОРСКОГО ПРОМЫШЛЕННОГО РАЙОНА РЕСПУБЛИКИ ХАКАСИЯ
Проанализирован индекс антропогенной преобразованности территории городов Абакана, Черногорска. Приведены категории земель Усть-Абаканского района. Дана характеристика, химические и физико-химические показатели почв Усть-Абаканского района. Определена степень загрязнения почвенного покрова городов Абакана и Черногорска тяжелыми металлами, нефтепродуктами, сероводородом, легко- и среднерастворимыми формами химических элементов. Проведен анализ снега на содержание тяжелых металлов.
Оценка геоэкологической обстановки территории необходима для рационального размещения производительных сил и создания наиболее благоприятных условий для проживания населения, а также сохранения здоровья человека. Оценка уровня и масштабов хозяйственного воздействия служит важным звеном в оптимизации взаимоотношений между обществом и окружающей природной средой. Техногенная нагрузка определяется как степень прямого и косвенного воздействия людей и их хозяйств на природу в целом или на ее отдельные компоненты и элементы (ландшафты, природные ресурсы) [1]. Техногенная нагрузка представляет собой результат хозяйственной деятельности, вызывает негативные изменения в окружающей среде и включает в себя:
- использование ресурсов природы (изъятие, трансформацию и нарушение земель, добычу полезных ископаемых, использование вод и т.д.);
- эмиссию отходов в окружающую среду (выбросы вредных веществ в воздух промышленными, коммунальными, бытовыми, энергетическими предприятиями и транспортом, сброс сточных вод в поверхностные водоемы, размещение твердых отходов, загрязнение почвенного покрова опасными химическими соединениями).
В настоящее время масштабы влияния на биосферу хозяйственной деятельности человека сопоставимы с масштабами воздействия природных геологических и геохимических процессов [2]. В условиях интенсивной антропогенной нагрузки экологическая безопасность окружающей среды представляется актуальной проблемой, требующей разрешения.
Для Республики Хакасия экологическая напряженность выражается в загрязнении почвы, воды и атмосферного воздуха городов и промышленных центров, необходимости решения проблемы обезвреживания и утилизации промышленных отходов. На сегодняшний день наиболее важным моментом является определение влияния степени загрязненности территории на здоровье населения.
В Абакано-Черногорском промышленном районе республики антропогенные нагрузки превышают установленные нормативы, что способствует созданию критической ситуации, при которой значительно ухудшаются условия проживания населения.
Абакано-Черногорский промышленный район находится на территории Усть-Абаканского района Республики Хакасия. Усть-Абаканский район включает пгт Усть-Абакан в сочетании с городами Абаканом и Черногорском. Они составляют единый промышленный узел с общей инфраструктурой.
При реализации стратегии экономического развития Республики Хакасия необходимо учитывать допустимый уровень дополнительного антропогенного воздействия. В связи с этим необходим мониторинг загрязняющих веществ, выбрасываемых на территории республики.
Весьма актуальным является исследование степени загрязненности территории такими наименее изученными и наиболее опасными загрязнителями, как поли-циклические ароматические углеводороды (ПАУ) -типичный представитель бенз(а)пирен (БП) и радионуклиды, тяжелые металлы, нефтепродукты с последующей оценкой их влияния на здоровье населения. Указанные загрязнители являются одними из основных загрязняющих веществ в республике, однако данных по их концентрации и распространенности на сегодняшний день недостаточно. Концентрированию этих загрязняющих веществ способствуют климатические условия территории (часто повторяющиеся температурные инверсии, приводящие к застойным явлениям).
В настоящее время существует достаточно большое число методов оценки техногенной нагрузки на экосистему в целом и ее отдельные составляющие.
В работе оценка проводилась в двух направлениях: анализ состояния природных ландшафтов, степень преобразованности территории; особенности состояния почвенного покрова, изучение степени загрязненности почвенного покрова городов Абакана и Черногорска наиболее опасными загрязняющими веществами (нефтепродукты, легко- и среднерастворимые формы химических элементов, бенз(а)пирен).
В рамках первого направления для анализа состояния природных ландшафтов городов Абакана и Черногорска использовалась методика К.М. Г офмана и О.И. Ивановой [3. С. 515]. В результате региональный индекс антропогенной преобразованности территорий г. Абакана составил 3,75, а Черногорска - 4,38, что соответствует относительно высокой антропогенной нагрузке.
По данным Федеральной службы государственной статистики по Республике Хакасия для Усть-Абаканского района характерны следующие категории земель:
- земли сельхозназначения - 45,4%;
- земли населенных пунктов - 0,7%;
- земли промышленности - 2,5%;
- земли природоохранного значения - 0,5%;
- земли Гослесфонда - 30,8%;
- земли водного фонда - 0,6%;
- земли запаса - 1,1%.
В результате подсчетов суммарная антропогенная нагрузка для Усть-Абаканского района составляет 2,84, что соответствует территории 4-го ранга, со средней антропогенной нагрузкой.
Показатель может использоваться для решения экономико-географических задач, связанных с планированием размещения производительных сил. Для определения степени экологической безопасности необходимо учитывать состояние всех компонентов окружающей среды и состояние здоровья населения [2].
Степи Усть-Абаканского района Хакасии широко вовлечены в сельскохозяйственное освоение, а также интенсивно используются в качестве естественных кормовых угодий преимущественно для развития основной отрасли животноводства - овцеводства.
Изучение почв Усть-Абаканского района Хакасии сопряжено с использованием их человеком. Сельскохозяйственное освоение земельного фонда имеет многовековую историю, нашедшую свое отражение в многочисленных археологических памятниках и остатках древних, хорошо спланированных оросительных систем. Научное же познание особенностей природных условий, обусловивших весьма своеобразное строение и состав структуры ее почвенного покрова, началось сравнительно недавно - в начале XVIII в. - и до сего времени его нельзя считать полностью законченным.
К настоящему времени в Усть-Абаканском районе Хакасии выполнены обширные почвенно-агрохимические исследования.
В подзоне северной лесостепи преобладают выщелоченные черноземы, в подзоне южной лесостепи -обыкновенные черноземы. В зоне степи господствуют южные черноземы и каштановые почвы.
Черноземы являются доминирующими почвами Хакас -ско-Минусинской впадины. Наиболее распространенными подтипами черноземов являются обыкновенные и южные черноземы (85,7%). Меньший удельный вес составляют выщелоченные черноземы (10,6%), совсем незначительное распространение имеют оподзоленные черноземы (3,7%). Оподзоленные и выщелоченные черноземы характеризуются наибольшей мощностью гумусово-аккумулятивного горизонта и устойчивым признаком в виде легкой глянцевой пленки в иллювиальном горизонте. Обыкновенные черноземы морфологически отличаются наличием карбонатов вблизи нижней границы гумусового слоя. Южные черноземы почти всегда имеют уплотненный горизонт В1, повышенное залегание карбонатов и, в ряде случаев, наличие подгоризонта породы с сульфатными солями. Нижние горизонты породы более плотны.
В горизонте А черноземов от оподзоленных к южным закономерно уменьшается содержание гумуса; количество гуминовых кислот; органических фосфатов; емкость поглощения; сужается отношение Ca:Mg и увеличивается количество Na, способствующее оформлению слабой солонцеватости, т.е. имеются все те изменения, которые свойственны генетически родственным почвам при развитии почвообразования в сторону остепнения. Последнее отражается и в балансе влаги в почвах. В целинных южных черноземах, формирующихся под разреженной растительностью разнотравной четырехзлаковой степи, в пределах второго метра всегда обнаруживаются прослойки и горизонты с влажностью меньше полуторной гигроскопичности, запас влаги в них меньший, чем в других подтипах черноземов.
Плодородие подтипов черноземов неодинаково при развитии их в разных природных зонах, зависит оно
также от пород и условий залегания по рельефу. В лесостепной зоне более высоким плодородием обладают черноземы, располагающиеся на южных склонах. На северных склонах и шлейфах наиболее богатые почвы не обеспечивают высокого урожая зерна, если не проводить ранневесенних подкормок растений, не ускорять прогревания этих почв. В степной зоне более высоким плодородием отличаются черноземы на лессовидных породах, несколько меньшим - на делювиальных породах и низким - на красноцветных породах и породах легкого гранулометрического состава. Плодородие возрастает от южных к выщелоченным черноземам, причем в пределах каждого подтипа на разных группах почвообразующих пород заметна дифференциация в свойствах, отражающих степень плодородия.
Черноземы обыкновенные развиты на территории, покрытой растительными ассоциациями луговой злаково-разнотравной степи. По видовым признакам они делятся на 4 группы: малогумусные маломощные, среднегумусные среднемощные, малогумусные среднемощные, среднегумусные маломощные. По гранулометрическому составу встречаются щебневатые тяжелосуглинистые, пылевато-иловатые тяжелосуглинистые и глинистые, крупно-пылеватые тяжело- и среднесуглинистые, легкосуглинистые иловато-песчаные. Гумусное состояние обыкновенных черноземов характеризуется средними и низкими запасами гумуса с низким содержанием «свободных» гуминовых кислот; средним - связанных с кальцием; высоким - прочно связанных ГК, средним количеством азота в гумусе.
Черноземы южные, в отличие от обыкновенных, формируются под более ксерофитной растительностью. Содержание гумуса колеблется в широких пределах в зависимости от гранулометрического состава и почвообразующих пород. К особенностям южных черноземов следует отнести и высокое содержание поглощенного магния. Являются теплыми почвами, при правильном использовании и обеспечении влагой можно получать высокие урожаи полевых и овощных культур на них.
Каштановые почвы, формируясь под растительностью мелкодерновинной четырехзлаковой степи (ковыль Крылова, типчак, тонконог, змеевка), обычно находятся на древних террасах речных долин и значительно реже располагаются на водоразделах. Как для темно-каштановых, так и для светло-каштановых почв Хакасии с развитым профилем весьма характерными признаками являются значительная уплотненность и трещиноватость горизонта Вь высокое залегание карбонатов при четкой оформленности горизонта Ск, наличие на глубине плотного цементированного горизонта «запеки». Сернокислые соли встречаются редко, преимущественно у каштановых почв холмистой степи. Мощность гумусово-аккумулятивного горизонта варьирует от 12 до 34 см.
От южных черноземов они отличаются меньшей мощностью и малой гумусностью и емкостью поглощения. Реакция почвенного раствора щелочная. Для них характерно высокое содержание карбонатов, располагающихся с поверхности или сразу под гумусовоаккумулятивным горизонтом. Содержание водорастворимых солей не превышает 0,3% [4, 5].
По признакам и свойствам каштановые почвы Хакасии имеют много общего с аналогами в Тыве, но значительно отличаются от почв Европейской части России (Поволжье, Крым).
Почвы Усть-Абаканского района отличаются следующими химическими и физико-химическими показателями (таблица).
Физико-химические свойства обыкновенных и южных черноземов изменяются в широких пределах в зависимости от гранулометрического состава, почвообразующих пород и других факторов. Так, емкость поглощения в гумусово-аккумулятивном горизонте колеблется в пределах 30-40 мг-экв на 100 г у тяжелосуглинистых разновидно-
В целом, почвы Усть-Абаканского района пригодны для сельскохозяйственного освоения. Большинство из них обеспечивается поливом, а при необходимости могут орошаться. В богарных условиях урожаи на этих почвах очень неустойчивы и особенно при посевах по зяби. Лучшие результаты достигаются лишь при размещении посевов по чистым парам.
В рамках второго направления исследования для определения степени загрязненности почвенного покрова были отобраны пробы в различных районах городов Абакана и Черногорска (магистральные автодороги, частный сектор, котельные, ТЭЦ), а также в лесостепной зоне (фоновое содержание определяемых компонентов). Нефтепродукты, бенз(а)пирен, легко- и среднерастворимые формы химических элементов (хлориды магния, натрия, кальция; карбонаты кальция, магния; сульфат кальция) практически всегда встречаются по обочинам дорог вследствие оседания пыли от эксплуатации дорог и особенно мощного потока автотранспорта, где присутствуют продукты сгорания бензина и амортизации самих машин и дорог.
Почва является индикатором многолетних природных процессов, и ее состояние - это результат длительного воздействия разнообразных источников загрязнения. Выбросы в атмосферу от промышленных предприятий и автотранспорта, орошение земель загрязненными водами, нарушение технологических требо-
стей и 18-28 мг-экв на 100 г у легкосуглинистых. Реакция почвенной среды в гумусовом слое обыкновенных черноземов нейтральная, в нижней части профиля - слабощелочная, а в южных черноземах величины рН более высокие. Содержание гумуса в горизонте А каштановых почв составляет 2,5-4,8%, реакция среды в гумусовом слое нейтральная или слабощелочная, а в нижних слоях -сильнощелочная. Все каштановые почвы независимо от их родовых различий имеют большую мощность карбонатного слоя. В почвенно-поглощающем комплексе черноземов доминирует обменный кальций. Доля обменного натрия заметно возрастает в каштановых почвах по сравнению с обыкновенными и южными черноземами.
ваний при добыче, переработке и использовании нефтепродуктов, несбалансированное применение минеральных удобрений и пестицидов приводят к загрязнению почв, ухудшению их физического и химического состояния и в результате к снижению плодородия [6].
Основными техногенными источниками загрязнения атмосферного воздуха, почвенного покрова в Республике Хакасия являются предприятия топливноэнергетического комплекса, котельные предприятий жилищно-коммунального комплекса, металлургии и автомобильный транспорт. Наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха в Республике Хакасия создают города Абакан, Черногорск, Саяногорск. Основными загрязняющими веществами являются: взвешенные вещества, окислы азота и углерода, бенз(а)пирен.
Интенсивное развитие промышленности, строительство и эксплуатация крупных сельскохозяйственных комплексов в 1970-1980-е гг. было максимально приближено к крупным городам Абакан, Черногорск и образование Абакано-Черногорского промышленного узла. При этом не учитывались геолого-гидрогео-логические условия района.
Определение легко- и среднерастворимых форм химических элементов проводилось методом качественного анализа. По результатам качественного анализа такие легко- и среднерастворимые формы химических
Химические и физико-химические показатели почв Усть-Абаканского района
Почва Глубина, см Гумус, % Поглощенные катионы, мг-экв/100 г рН р<0,01
Са++ Mg++ №+
Минусинская котловина (Усть-Абаканский район)
Темно-каштановая 0-10 4,76 - - 2,11 7,40 69,61
маломощная 15-20 3,46 - - 3,06 7,60 72,77
среднегумусная глинистая карбонатная 30-35 1,34 - - - 7,60 -
60-65 - - - 2,79 7,80 81,61
Темно-каштановая маломощная мало- 0-10 2,55 16,90 5,25 0,60 - 26,01
гумусная легкосуглинистая 15-20 1,99 16,00 4,90 0,80 - -
25-30 1,52 - - 0,20 - 26,42
40-45 1,28 - - - - -
Каштановая среднемощная среднегу- 0-10 3,22 16,12 6,82 3,16 7,25 43,51
мусная среднесуглинистая 15-20 1,50 - - 5,62 - 45,54
30-50 1,26 - - 5,30 8,55 48,79
60-65 - - - 4,02 8,16 50,15
Светло-каштановая среднемощная 0-10 2,50 12,70 3,00 - 7,15 25,13
малогумусная легкосуглинистая 10-20 1,80 13,00 3,30 - - -
40-45 1,73 13,10 3,45 - 8,00 26,51
Светло-каштановая среднемощная 0-10 2,12 12,10 3,30 3,00 7,00 42,17
малогумусная среднесуглинистая 10-20 1,93 12,90 - 3,12 7,25 -
40-45 1,50 - - - - 43,21
элементов, как хлориды (магния, натрия, кальция), сульфат кальция, нитраты, карбонаты кальция практически всегда встречаются по обочинам дорог вследствие оседания пыли от эксплуатации дорог и особенно мощного потока автотранспорта, где присутствуют продукты сгорания бензина и амортизации самих машин и дорог.
Определение концентрации сероводорода в почвенной вытяжке позволяет прогнозировать содержание нефтепродуктов в почве, т.к. с участием анаэробных микроорганизмов в почве происходят различные процессы разрушения органических веществ. Некоторые бактерии используют для окисления органики кисло -родсульфатов, при этом выделяется сероводород.
Анализируя результаты, можно говорить о том, что наибольшее значение содержания сероводорода в почвенной вытяжке наблюдается в г. Абакане на магистральной автодороге (перекресток улиц Некрасова и Чертыгашева), в г. Черногорске на магистральной автодороге, въезд в город (рис. 1).
Анализ содержания нефтепродуктов, тяжелых металлов в почвенной вытяжке проводили в лабораториях Хакасского государственного университета им. Н.Ф. Ка-танова. Анализы проведены методами флуориметрии, вольтамперометрии и потенциометрии. Почвенные вытяжки были приготовлены в соответствии с требованиями методик к данным методам. Для определения нефтепродуктов в пробах почв использовался флуориметриче-ский метод.
Максимальное содержание нефтепродуктов в почвенной вытяжке наблюдается в г. Абакане у котельной северного района, где превышение фонового значения в 6 раз, в г. Черногорске у ОАО «Искож» превышение фонового значения в 3 раза. В целом почти все пробы превышают фоновое значение. Это можно объяснить интенсивностью движения и утечкой различных нефтепродуктов из поврежденных систем топливообеспе-чения (рис. 2).
Для изучения концентрации тяжелых металлов в почве использовали метод потенциометрии с ион-селективными электродами на содержание в них ионов тяжелых металлов: С^+, Си2+, РЪ2+ (рис. 3-5).
Ионы кадмия были обнаружены во всех пробах почв, значения не превышают ПДК (2,0 мг/кг), но превышают фоновое значение (879,8 мкг/л), что вызывает опасение. Наибольшее содержание кадмия наблюдается в западном жилом районе г. Абакана (превышает фон в 1,74 раза), котельной северного района г. Абакана (в 2 раза), на въезде в г. Черногорск (в 2,19 раза) и в частном секторе г. Черногорска (в 1,6 раза). Такие значения можно объяснить высокой интенсивностью движения автотранспорта.
Ионы свинца были обнаружены во всех пробах, их концентрация не превышает ПДК (6,0 мг/кг), но превышает фоновое значение (0,321 мкг/л).
У котельной северного района в г. Абакане его содержание превышает фоновое значение в 11 раз, магистральная автодорога - въезд в Черногорск (превышение в 10 раз), территория станции технического обслуживания (в 11,3 раза) и частный сектор в г. Черногорске (превышает фоновое значение почти в 9 раз). Возможно, это связано с выбросами автотранспорта и ис-
пользованием отечественных бензинов, не отвечающих международным стандартам.
Ионы меди были обнаружены во всех пробах, их концентрация не превышает ПДК (3,0 мг/кг), но превышает фоновое значение (0,06 мкг/л). У котельной северного района в г. Абакане превышение фона в 46 раз, в г. Черногорске на магистральной автодороге (въезд в город) превышение в 59 раз, у ОАО «Искож» г. Черногорска превышение фона в 13,4 раза и у станции технического обслуживания - в 9 раз.
В целом результаты анализа почвенного покрова на наличие ионов тяжелых металлов показали отсутствие превышения ПДК, но превышение фонового значения.
Анализ загрязнения снежного покрова в различных районах городов Абакана и Черногорска проводили в лабораториях Хакасского государственного университета им. Н.Ф. Катанова. Анализы снежного покрова проведены методами вольтамперометрии и потенцио-метрии. Хотя анализ снежного покрова косвенно отражает загрязнение атмосферного воздуха, можно говорить о различном вкладе отдельных источников загрязнения в общее состояние атмосферного воздуха.
Методом вольтамперометрии были установлены следы присутствия тяжелых металлов в снежном покрове. Для точного количественного анализа проведено исследование методом потенциометрии с ионселектив-ными электродами.
Ионы кадмия обнаружены во всех пробах снега, значения превышают фоновое содержание (234,3 мкг/л) (рис. 6).
В г. Абакане максимальное содержание ионов кадмия наблюдается у котельной северного района и превышает фоновое значение в 4,3 раза, а в г. Черногорске (въезд в город) превышение в 10 раз, на магистральной автодороге (ул. Советская) - в 3,8 раза, в частном секторе - в 6,69 раза.
Свинец также присутствует в снежном покрове, его содержание превышает фоновое значение (0,123 мкг/л).
Наибольшее содержание ионов свинца наблюдается на перекрестке улиц Пушкина и Щорса в г. Абакане (превышение фонового значения в 19 раз), в г. Черногорске на станции тех. обслуживания (в 37,2 раза) и в частном секторе г. Черногорска - в 19 раз (рис. 7).
Также во всех пробах снежного покрова присутствуют ионы меди, их значение превышает фоновое (0,02 мкг/л) (рис. 8). Наибольшее содержание наблюдается при въезде в г. Черногорск, превышает фоновое значение в 267 раз, у ОАО «Искож» - в 49 раз, у магистральной автодороги (ул. Советская) и в частном секторе г. Черногорска - в 20 раз.
В целом загрязнение окружающей среды связано с выбросами автотранспорта, эксплуатацией дорог, использованием угля для отопления жилых помещений.
Результаты исследований почвенного покрова показали неравномерность загрязнения различных районов городов. Наибольшие концентрации нефтепродуктов в почве наблюдались в центральной части г. Абакана и западном жилом районе, а также при въезде в г. Черногорск и в районе авторынка. В целом все пробы превышают фоновое значение и ПДКп. Высокие концентрации легко- и среднерастворимых форм химических элементов превышают фоновые значения, наибольшие концентрации на-
блюдаются в г. Абакане вблизи автодорог и в част- ла, границе СЗЗ ОАО «Искож», в центральной части
ном секторе, в г. Черногорске - в районе автовокза- города вблизи дороги.
Рис. 1. Содержание сероводорода в почве Рис. 2. Содержание нефтепродуктов в почве, мг/кг
загрязненной нефтепродуктами, мг/кг
1 2 3
5 6 7
9 10 11
Рис. 3. Содержание в почве ионов Cd+2, мкг/л
4 1
3,5 -
3
2,5 -
| 1,5 -
1 0,5 -
0
—
-
—П—
п П п
1 2 3
5 6 7
9 10 11
Рис. 4. Содержание в почве ионов РЬ+2, мкг/л
1 23456789 10 11
Рис. 6. Содержание в снежном покрове ионов Cd+2, мкг/л
4.5 4
3.5 3
2.5 2
1.5 1
0,5
0
=3
1ГТГІ п №сгтг[1тг +1
1 23456789 10 11
1 23456789 10 11
2500
2000
500
Рис. 7. Содержание в снежном покрове ионов РЬ+2, мкг/л Рис. 8. Содержание в снежном покрове ионов Си +2, мкг/л
Условные обозначения: 1. Усть-Абаканский район, степная зона, 30 км от города (предполагаемая фоновая проба). 2. Западный жилой район. 3. Магистральная автодорога (перекресток ул. Пушкина и ул. Щорса) 4. Магистральная автодорога (перекресток ул. Некрасова и ул. Чертыгашева) 5. Частный сектор. 6. Котельная северного района. 7. Магистральная автодорога (въезд в г. Черногорск). 8. ОАО «Искож» г. Черногорска. 9. Территории станции технического обслуживания (р-н Автовокзала) г. Черногорска. 10. Магистральная автодорога г. Черногорска (ул. Советская). 11. Частный сектор г. Черногорска
ЛИТЕРАТУРА
1. РеймерсН.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. М.: Мысль, 1990. 634 с.
2. Адам А.М. Теория и методы обеспечения экологической безопасности технологических объектов и территорий в целях устойчивого приро-
допользования на примере Западной Сибири: Дис. ... канд. техн. наук. М., 2003. 316 с.
3. Гофман К.Г., Гусев А.А. Экологические издержки и концепция экономического оптимума качества окружающей природной среды // Эконо-
мика и математические методы. Т. 17, вып. 3. С. 515-527.
4. ТанзыбаевМ.Г. Почвы Хакасии. Новосибирск: Наука, 1993. 256 с.
5. Танзы£аевМ.Г. Почвы Хакасии // Природные сенокосы и пастбища Хакасской автономной области. Новосибирск: Наука, 1974. С. 25-31.
6. Экологическое состояние территории России: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / Под ред. С.А. Ушакова, Я.Г. Каца. М.:
Академия, 2002. 128 с.
Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 5 октября 2007 г.
