CC BY
73
Известия Тульского государственного университета Естественные пауки. 2009. Вып. 1. С. 179-186
Экология
У 1;\ 502:613
Оценка экологической безопасности сельскохозяйственной продукции с использованием геоинформационных систем
И.Н. Лыков. А.А. Логинов. М.А. Логинова
Аннотация. С использованием инструментов геоинформа.цион-ной системы построена, карта распределения суммарной валовой концентрации важнейших тяжелых металлов в почвах Калужской области. Показано, что в почвах наиболее сельскохозяйственно освоенной части территории Калужской области содержание тяжелых металлов превышает допустимые нормы.
Ключевые слова: тяжелые металлы, продукция сельского хозяйства, геоинформационная система.
Введение
Как хорошо известно и неоднократно отмечалось авторами работ экологической направленности из различных регионов России [1, 2] почва, являясь неотъемлемой частью любого природного комплекса, служит индикатором экологического благополучия любого региона. При этом одним из важнейших показателем качества почвы является содержание в пей тяжелых металлов (ТМ).
Тяжелые металлы сравнительно легко накапливаются в почвах, по весьма медленно из них удаляются; так, период полуудалепия из почвы цинка Ъ\\ — до 500 лет, меди Си — до 1500 лет, кадмия Сс1 — до 1100 лет, свинца РЬ — до нескольких тысяч лет [3]. На способность почвы к удержанию ТМ оказывают влияние как целый ряд природных факторов, связанных с составом почвы, подстилающими породами обводпеппостыо и др.: обменная адсорбция поверхности глин и гумуса, формирование комплексных соединений с гумусом, адсорбция поверхностная и окклюзировапие гидратированными окислами алюминия, железа, марганца и т.д., а также формирование нерастворимых соединений, особенно при восстановлении.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 06-()6-8()()77).
Географическое положение Калужской области па стыке лесной и лесостепной зон определило весьма значительную пестроту почвенного покрова. Однако па большей части территории области господствующими являются дерново-подзолистые почвы. Причем па севере преобладают среднесуглипи-стые почвы, а па юге и западе — супесчаные и песчаные. В центральных и восточных районах области дерново-подзолистые почвы сменяются серыми лесными, сред несу глинисты ми почвами, обладающими более высоким естественным плодородием.
Источники антропогенного загрязнения ТМ распределены по территории Калужской области очень неравномерно: промышленные города, отдельные промышленные объекты, предприятия (карьеры) добычи строительных материалов, добыча бурого угля, радиоактивное загрязнение, развитая сеть автодорог различной нагрузки, пефте- и газопроводы. Образование антропогенных аномалий ТМ в почве — процесс, длящийся уже десятки лет.
Однако существующий уровень загрязнения почв ТМ является результатом суммарного воздействия всех источников, как антропогенных, так и природных, поскольку присутствие ТМ даже в естественных, незагрязненных почвах обусловлено их содержанием в материнской породе [1, 4]. Природным источником ТМ в почве может быть весьма разнообразный минералогический состав горных пород, в первую очередь различных моренных и водполедпи-ковых суглинков. Так, широко распространенные в морене железо-маргапце-вые конкреции содержат медь, титан, свинец, никель, кобальт. Известняки и карбонатные конкреции являются источниками бария, стронция, цинка. Глауконит — хрома, меди, никеля, кобальта, цинка. Значительная часть ТМ (медь, цинк, свинец, титан, хром, никель, кобальт) связана с весьма широко распространенными в почвах Калужской области и подстилающих отложениях минералов полевого шпата, слюды (биотита), роговой обманки, ильменита, эпидота, циркона, турмалина, группы граната. Всего па территории Калужской области выявлено и с различной степенью достоверности разведано 571 месторождение полезных ископаемых [5].
1. Материал и методы
Для целей настоящей работы использовались архивные данные о геологоэкологических исследованиях территории Калужской области [6]. Отбор проб почвы проводился по всей территории Калужской области (рис. 1) методом конверта со сторонами 200 х 200 м; с одной площадки отбиралось 5 проб весом по 0,1 кг, которые затем смешивались в одну пробу весом 0,5 кг.
Пробы отбирались до глубины 0,2-0,3 м в зависимости от мощности дернового и почвенного слоя. Отобранный почвенный материал в лабораторных условиях высушивался, измельчался, просеивался для удаления посторонних включений, а затем дробился и истирался до крупности 0,7 мм. Определение валовых концентраций ТМ проводилось методом полуколичествеппого спектрального анализа в ЦХЛ «Цептргеология» (г. Москва) и ГЕОТЕХ ВИМС
(г. Наро-Фоминск). Анализ проводился на содержание наиболее токсичных металлов: кадмия, бериллия, кобальта, хрома, меди, ртути, никеля, свинца, олова и цинка.
I'
•А
••■лі- л.
о *
С
МЕДШІ.
ESPQ&CK
• ОШИНЕЕ • « ’
’жус
. *
1 КО HflJ ІЇБО
■ ■ "\
в * . 4,
Не^ел ь-goe
• •
О Т*ФУСА
- *А,
. КАЛУГА в 0 *"
м
о “ -' Mi
Л* о »о в „ С “|>о 0 ° » ° а о Q з" .феріисок.
^ tnAe-JBVl^HCK, * в в * * • о ° * 0 . * “ £
„ * * * * * * пдрдШипь.
• ••••... .............................................. ..,j
. . ....................................................* і' *
О ,
&
&ОГ
^ сжиыичи
• * - ■. itnfuu ос «’во* о ■ Jf.
. • J:
Бетлица а а а* * a KQ3 ЕЛ ЬГЖ
в * * • * о „ ДХМИНИЧРГ 4 в
о JH , ЛЮДИНрВЦі - - ' "
о° е
1 - » . й ►
' й ¥ ЖИЗ^А
• о
в Ф
1 •
KBjACTQ в ичи
к
»
J
\*
Рис. 1. Точки отбора проб почвы для определения валового содержания тяжелых металлов на территории Калужской области
Картографическим исходным материалом для настоящей работы послужили векторные цифровые карты Калужской области масштаба 1 : 200 000, сертифицированные Роскартографией (учетные №№539 549); тематические векторные карты создавались в автоматическом режиме в программной оболочке ГИС Maplnfo Professional (лицензия корпорации Maplnfo № 10MIRU45WP01622).
2. Результаты и обсуждение
По результатам анализа почвенных проб с использованием инструментов ГИС построены индивидуальные для каждого ТМ карты распределения его валового (общего) содержания в почвах Калужской области. Оказалось,
что распределение валовой концентрации каждого ТМ по территории Калужской области посит достаточно индивидуальный характер. Например, для многих ТМ: бериллия, никеля и, менее выражение, для хрома и меди зафиксированы повышенные их содержания па обширном участке в центре Калужской области, широко простирающемся к восточной границе Калужской области и узким рукавом в северо-восточном направлении вдоль автодороги Москва-Киев, имеющей высокую транспортную нагрузку. Для кобальта повышенные концентрации обнаружены па участке, занимающем наиболее промышленно развитую северо-восточную часть Калужской области. Аномальные концентрации остальные из исследованных ТМ обнаружены па территории Калужской области лишь в нескольких локальных точках.
Однако для оценки экологической опасности необходимо иметь информацию не только об уровнях концентраций ТМ, по еще более важно сравнить эти концентрации с их предельно допустимыми величинами (ПДК), определяющими возможность безопасного проживания людей и ведения сельскохозяйственной деятельности С этой целью для каждой из показанных па рис. 1 точек было вычислено значение содержания каждого ТМ, выраженное в долях ПДК и, затем, суммарной концентрации ТМ в долях ПДК:
£[ТМ<]/ПДК{,
где [ТМ*] — значение концентрации г-го тяжелого металла; ПДК* — значение предельно допустимой валовой концентрации г-го тяжелого металла в почве; г-й металл — Сс1, РЬ, Си, N1, Zn.
Вычисления проделаны для наиболее токсичных и наиболее значимых для Калужской области тяжелых металлов (Сс1, РЬ, Си, N1, Ъа). Критериями для оценки такой «значимости» служили: токсичность индивидуального ТМ и его повышенное содержание в почвах Калужской области. По результатам этих вычислений построена карта распределения содержания суммы значимых ТМ, выраженного в долях ПДК (рис. 2). На рис. 2 разграничение территории Калужской области произведено по изолинии, отвечающей суммарной концентрации ТМ в 1 ПДК. «Чистые» участки территории, в которых концентрация суммы ТМ менее 1 ПДК, оставлены незакрашенными. Участки территории, в которых допустимые уровни содержания ТМ превышены, тонированы.
Как видно из рис. 2, общая площадь «чистых» зон, где валовые концентрации суммы важнейших ТМ находятся в пределах 1 ПДК, составляет около 1 /4 территории Калужской области. Почвы более половины территории Калужской области содержат ТМ с суммарной концентрацией от 1 до 2 ПДК, в том числе самая сельскохозяйственно развитая часть Калужской области — Мещовское ополье. На относительно небольших участках, хаотично распределенных по территории Калужской области, ПДК превышены в 2 и более раз, в том числе аномально высокие концентрации суммы ТМ — более 10 ПДК — зафиксированы в пяти точках.
Рис. 2. Загрязненность почв Калужской области тяжелыми металлами
Соответственно преобладанию отдельных типов биотопов, территория Калужской области может быть подразделена на три больших ландшафтноэкологических участка.
1) Северный лесной участок. Занимает около 42 % территории Калужской области, покрыт смешанными лесами, отличается наибольшей лесистостью 57%. Более 2/3 промышленных предприятий Калужской области сосредоточено в ее северной части [5].
2) Мещовское ополье участок в центре области. Занимает около 15 % территории Калужской области, отличается наименьшей лесистостью, на его территории особенно велика доля сельскохозяйственных угодий.
3) Южный лесной участок. Занимает около 42 % территории Калужской области, покрыт широколиственными лесами.
Площадь Калужской области составляет 29,9 тыс. км2, при этом общая площадь сельскохозяйственных угодий занимает около 13 тыс. км2, что составляет 1/3 территории области [5]. Наиболее интенсивная сельскохозяйственная деятельность традиционно ведется на территории Мещовского ополья (рис. 3) (доля земель сельскохозяйственного назначения в процентах к общей площади всех категорий земель) [7].
Уже простое визуальное сопоставление рисунков 2 и 3 говорит о явном несоответствии основных мест производства сельхозпродукции требованиям
Рис. 3. Сельскохозяйственное использование земель Калужской области, % [7]
экологической безопасности. Современные же техническое оснащение и программное обеспечение позволяют получить результат точный и, одновременно, наглядный. С помощью геоинформационной системы Мар1пГо-ргоГе88Юпа1 произведено наложение карт расположения экологически безопасных по ТМ участков территории Калужской области и участков наиболее интенсивного производства сельскохозяйственной продукции (рис. 4). Если учесть, что предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязнителей рассчитываются именно как порог, за которым начинается угнетение и деградация организма, то, по предварительным подсчетам, проведенным на основе содержащейся в рис. 4 информации, на экологически безопасных по ТМ почвах в Калужской области производится не более 15 20% сельхозпродукции. Если же помнить о существовании и других классов загрязнителей, например, радиоактивного следа чернобыльской катастрофы, пестицидов и пр., то приходится констатировать существование жизненно важной проблемы санитарной безопасности продуктов питания.
Список литературы
1. Крылова Л.П., Везенцев А.И. Содержание тяжелых металлов в почвах садовоогородных участков Белгородской области // Проблемы региональной экологии. 2007. № 6. С. 33-36.
Рис. 4. Наложение рисунков 2 и 3
2. Горбунова Л.Г., Задорина О.А., Балушкина Е.Н. Влияние агротехногенных выбросов предприятий ЦБП на состояние почв южных районов Архангельской области // Экология: образование, наука, промышленность и здоровье: матер. III Межд. научно-практ. конф. / БелГТУ. Белгород, 2004. С. 41-42.
3. Давыдова С.Л. О токсичности ионов металлов. М.: Знание, 1991. 32 с.
4. Мур Дмс.В., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. М.: Мир, 1987. 285 с.
5. Доклад о состоянии и охране окружающей среды и использовании природных ресурсов Калужской области в 2006 г. Калуга, 2007. 160 с.
6. Отчет о геолого-экологических исследованиях территории Калужской области. АООТ «Калугагеология» (отв. исп. В.А. Коваленко). Калуга, 1997. Обл. фонды, инв. № 01612.
7. Демография и ресурсы устойчивое развитие Калужской области / Научн. ред. В.А. Семенов. Обнинск: ИГ-СОЦИН, 2008. 248 с.
Поступило 21.12.2008
Лыков Игорь Николаевич (lin47@kaluga.ru), д.б.н., профессор, кафедра физиологии, микробиологии и экологии, Калужский государственный педагогический университет им. К.Э. Циолковского.
Логинов Александр Александрович (biomon@kspu.kaluga.ru), к.хлт., руководитель Центра экомопиторипга, Калужский государственный педагогический университет им. К.Э. Циолковского.
Логинова Мария Александровна, студент, Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.
Estimation of ecological safety of agricultural production with use of geoinformation systems
I.N. Lykov, A.A. Loginov, M.A. Loginova
Abstract. With use of geoinfomiation systems tools the map of distribution of sum total concentration of major Heavy metals in soils of the Kaluga area is constructed. Is shown, that in the soils of most agricultural part of Kaluga area territory the contents of Heavy metals exceeds the sanitary norms.
Keywords: Heavy metals, agricultural production, geoinformation system.
Lykov Igor (lin47@kaluga.ru), doctor of biological sciences, professor, department of physiology, microbiology and ecology, Kaluga State Pedagogical University.
Loginov Alexander (biomon@kspu.kaluga.ru), candidate of chemical sciences, chief of the Centre of ecological monitoring, Kaluga State Pedagogical University.
Loginova Marija, student, Kaluga branch of Moscow State Technical University.
