CC BY
87
ОЦЕНКА И НОРМИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ В ЗОНЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МИХАЙЛОВСКОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО КОМБИНАТА КМА
А.И. Стифеев, Е.А. Бессонова, К.Н. Кемов, О.В. Никитина
Аннотация. Дана комплексная оценка экологического состояния почв в районе МГОКа по уровню загрязнения тяжелыми металлами (ТМ), состоянию агро-ценозов и биологической активности.
Ключевые слова: оценка, нормирование, карьер, хвостохранилище, горные породы, тяжелые металлы, биологическая активность, ферменты, ПДК.
В условиях функционирования крупных промышленных предприятий возникает вопрос о необходимости экологического нормирования территории, связанного с воздействием на окружающую природную среду (ОПС), с учетом природных условий региона и его функционального назначения. Об этом свидетельствует идея экологической доктрины Российской Федерации и Федерального закона «Об охране окружающей среды» [1].
За основу оценки и ранжирования качества ОПС и воздействия на нее принята известная в природоохранительной практике пятиуровневая шкала, в соответствии с которой: первой позиции соответствует ненарушенное состояние ОПС и минимальное воздействие на нее, а пятой - катастрофическое состояние среды и соответственно катастрофическое воздействие [2].
За состояние, близкое к экологической норме, принимается примерный диапазон позиции от 1 до 2 включительно в рамках рассматриваемой пятиуровневой шкалы, соответствующий потере качества ОПС от 20 до 40%, что соответствует зоне экологического риска [2, 3,4].
Цель данной работы состояла в оценке и нормировании экологического состояния почвы в зоне функционирования Михайловского железорудного карьера и горнообогатительного комбината КМА. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: оценка экологического состояния почв в зоне функционирования МГОКа по химическим и биологическим показателям; выявление территории с различными уровнями деградации природной среды.
Район исследования расположен на западе Курской области, где сформировались серые лесные почвы на лессовидных суглинках. Климат территории умеренно-континентальный. Количество осадков по средним многолетним наблюдениям составляет 560 мм, температурный режим позволяет выращивать все основные культуры (зерновые, технические, овощные) возделываемые в Центральном Черноземье. Добыча железной руды ведется открытым способом с 1958 г. по настоящее время. Площадь карьера составляет 2275 га, глубина более 350 м. Вблизи карьера (^4 км) расположено хвостохранилище Михайловского ГОКа площадью 2500 га. Вокруг карьера сформировался техногенный ландшафт, представленный отвалами горных пород, отсыпанных валовым способом c использованием конвейерного, автомобильного, железнодорожного и гидравлического транспорта. Химический состав горных пород колеблется от благоприятного: лессовидные суглинки, содержащие до 0,3% органического вещества, 0,03% общего азота, следы фосфора, калия высокое -до 20 мг/100г, не засолены (сухой остаток 0,06 - 0,08%) реакция среды нейтральная (рН 6,5 - 7,2), до токсичных: алевриты апт-неокома имеют кислую реакцию среды (рН 4,0-5,0), повышенное содержание легкорастворимых солей (0,9 - 1,17 %), в основном сульфатных, в наличии тонкорассеяный (а иногда в виде конкреций)
пирит. Объем, изъятых из карьера горных пород превышает 1 млрд. м3. Он занимает площадь около 5000 га.
Все породы, взятые из карьера или свежеотсыпан-ных отвалов биологически мертвы: микроорганизмы в них полностью отсутствуют (глины морские, алевриты, пески), нитраты не обнаруживаются ни до компостирования, ни после.
Основные источники загрязнения ОПС являются: карьер по добыче железной руды с использованием взрыва, дефляция с поверхности хвостохранилища и техногенных отвалов. В валовом химическом составе отходов, складированных в хвостохранилище, преобладает кремний (до 63%), железо трехвалентное, в небольшом количестве марганец, титан, кальций и другие элементы [5]. По исследованиям [6] установлено, что предприятиями по добыче железной руды на территории КМА выбрасывается 55 химических компонентов, в том числе 9 из них относятся к выбросам 1 и 2 класса опасности. Загрязнение ОПС распространяется до 30 км.
Почвенный покров, прилегающий к источникам загрязнения представлен серыми лесными почвами. Для определения степени загрязнения почвенного покрова нами отбирались почвенные образцы на типичных по рельефу площадях в юго-восточном направлении от карьера и техногенных ландшафтах на расстоянии 0,5 км, 1 км, 3 км, 5 км, 7 км, 9 км, 12 км, 15 км, 20 км, 25 км, 30 км. Глубина отбора почвенных образцов 0-20 см, кроме того образцы отбирали из почвенных разрезов. В образцах определяли агрофизические, агрохимические свойства, биологическую активность, наличие тяжелых металлов. Результаты определения физических свойств приведены в таблице 1.
Из данных таблицы 1 видно, что плотность твердой фазы возрастает с 2,60 г/см3 (горизонт Ag) до 2,71 г/см3 (С - материнская порода), соответственно общая пороз-ность убывает от 70,6% до 40,0 %. Агрохимические свойства почв в пахотном слое (0-20 см) характеризуется низким содержанием гумуса (2,9 %), легкогидроли-зуемого азота (109 мг/кг), средним содержанием подвижного фосфора 112 мг/кг, высоким содержанием обменного калия 136 мг/кг и слабокислой реакцией почвенного раствора - рН ^ 5,5.
Таблица 1 - Физические свойства серых лесных
Горизонт Глубина взятия образца, см Плотность сложения Плотность твердой фазы Общая пороз-ность, % Гранулометрический состав
г/см3
0-4 0,97 2,60 70,6 Тяжелый гранул. состав
А1 4-17 1,17 2,62 56,0
А1А2 17-36 1,45 2,66 46,0 Тяжелый гранул. состав
АВ 36-48 1,47 2,67 45,0 Тяжелый гранул. состав
В 48-115 1,60 2,68 42,0 Средний суглинок
С >115 1,68 2,71 40,0 Средний суглинок
С глубиной количество гумуса и легкогидролизуе-мого азота резко падает, содержание обменного калия остается стабильным.
Исследования показали, что биологическая активность почвы во многом зависит от экологических факторов, но основными являются абиотические: влажность, температура и антропогенные: загрязнение почвенной среды.
Для оценки биологической активности почв определяли разложение клетчатки (методом аппликации), фермента каталазы, популяции дождевых червей. Исследованиями [10] установлено, что достаточно точное представление об интенсивности микробиологических процессов дают методы учета биологической активности почвы по разложению естественных источников: целлюлозы, соломы и льняного полотна. Результаты наших исследований приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Целлюлозоразрушающая активность
Согласно данных таблицы 2 видно, что минимальная биологическая активность почв за годы исследования наблюдалась в 5 км зоне. По мере удаления от источников загрязнения наблюдалась тенденция увеличения биологической активности почв и на расстоянии 20 км она составила 26,7 % и практически остается таковой при удалении 20 и 30 км.
Одним из важнейших показателей биологической активности почвы является ферментативная активность. Наиболее показательна в этом плане является активность каталазы, которая разлагает ядовитую для клеток перекись водорода, образующуюся в процессе дыхания живых организмов и в результате различных биохимических реакций окисления органических веществ на воду и молекулярный кислород.
Образование каталазы связано с деятельностью грибов, водорослей и корневой системы высших растений. Каталаза является не только внутриклеточным ферментом, она активно выделяется микроорганизмами в окружающую среду, обладает высокой устойчивостью, может накапливаться и длительно храниться в почве.
Ферментативная активность каталазы, также как и целлюлозоразрушающая во многом изменялась в зависимости от загрязнения почвы (рисунок 1).
Согласно данным рисунка 1 видно, что наименьшая активность каталазы в среднем за 3 года наблюдалась в зоне воздействия Михайловского ГОКа на расстоянии 5 км - 2,3 см3О,г/г/мин, при удалении до 30 км она возросла до 4,9 см О2/г/мин.
Дождевые черви могут выступать в роли индикаторов загрязнения почвенной среды. Как отмечает [8], снижение численности червей в почве по сравнению с ненарушенными экосистемами зависит прежде всего,
от токсикантов, которые значительно снижают плотность их популяции.
6
4,9
1
О -»-1-»-1-»-1-1-1-1-1-»-1-1-1-1-1
0,5 2 5 10 15 20 26 30
КМ
Рисунок 1 - Ферментативная активность каталазы в почвах в зависимости от удаления от источников загрязнения
В наших исследованиях (таблица 3) приведена плотность популяции и биомасса дождевых червей в точках отбора почвенных образцов.
Согласно полученным данным, видно что наименьшее количество дождевых червей обнаружено в зоне 5 км (26 экз./м2) в слое почвы 0 - 50 см. По мере удаления от источников загрязнения отмечается увеличение количества дождевых червей. Так, на расстоянии 7 км от горнорудной промышленности популяция червей составляет 39 экз./м2, на расстоянии 12 км - 53 экз./м2. Максимальное количество дождевых червей обнаружено на расстоянии 25 и 30 км от источников загрязнения и, соответственно, составляет 72,0-72,1 экз./м2 с биомассой 70,9 - 71, 0 г/м2.
Таблица 3 - Плотность популяции и биомасса дождевых червей в зависимости от источников
Таким образом, проведенные нами исследования свидетельствуют о том, что биологическая активность почв и популяция дождевых червей во многом зависела от источников загрязнения. При удалении от карьера, хвостохранилища и отвалов отмечается увеличение целлюлозоразрушающей активности микроорганизмов, фермента каталазы, популяции дождевых червей и их массы.
Загрязнение почвы тяжелыми металлами (ТМ) определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии на ААЗ-30 [9]. Фоновое содержание ТМ в почвенных образцах исследуемого района было определено недалеко от поселка Любаж на расстоянии 35 км от источников загрязнения.
Результаты определения ТМ в почвах, отобранных на разном удалении от карьера, хвостохранилища и техногенных ландшафтов (отвалы горных пород) приведены в таблице 4.
микроорганизмов в загрязненных почвах
Варианты опыта % разложившейся ткани за 30 дней Отклонение от контроля
повторность Среднее
1 2 3
0,5 км 10,2 16,0 12,8 13,0 13,7
1 км 9,6 16,4 14,2 13,4 13,3
3 км 9,3 14,8 13,7 12,6 14,1
5 км 7,8 14,3 12,5 11,5 15,2
7 км 12,9 17,5 15,4 15,3 11,5
9 км 15,4 19,7 18,1 17,7 9,0
12 км 17,5 25,9 22,3 21,9 4,8
15 км 18,4 28,3 24,4 23,7 3,0
20 км 19,7 32,4 28,1 26,7 3,0
25 км 20,1 31,4 28,0 25,7 3,0
30 км 20,0 31,2 28,0 26,4 3,0
НСР05 2,7
загрязнения
Точки отбора проб Численность и биомасса (слой почвы 0 - 50 см)
экз./м2 г/м2
0,5 км 33,0 35,4
1 км 26,1 33,9
3 км 28 29,5
5 км 36,3 27,3
7 км 39 37,8
9 км 42,7 41,4
12 км 53,2 52,5
15 км 69,1 68,3
20 км 72,5 70,7
25 км 72,0 70,9
30 км 72,1 71,0
Таблица 4 - Содержание валовых форм (ТМ) в почвах, удаленных на разное расстояние от источников
загрязнения
Расстояние от источника загрязнения содержание тяжелых металлов, мг/кг
Cd Си гп Мп РЬ Бе Со
0,5 км 8,4 19,8 6,75 33,26 6,14 11925,0 17,20
1 км 12,3 47,85 10,1 30,19 8,29 11234,1 34,00
3 км 19,2 51,7 21,15 32,48 18,46 12675,0 38,80
5 км 21,6 85,8 43,15 47,25 27,23 13853,7 44,80
7 км 10,2 58,85 33,55 36,04 22,14 12352,1 37,20
9 км 3,6 48,95 26,7 34,67 19,39 10028,0 31,20
12 км 2,4 47,3 25,3 32,12 14,78 9387,2 13,60
15 км 1,8 20,35 17,05 30,83 6,18 7392,3 11,60
20 км 0,9 18,7 11,95 30,04 5,70 5305,4 6,00
25 км 0,8 17,9 10,9 30,0 5,7 4305,4 6,00
30 км 0,8 17,8 10,8 30,0 5,6 3457,0 6,00
ПДК [ЦИНАО-1991г] 3 55 100 1500 32 - 12
ФОН - 22 52 596 16 3300 10
Согласно приведенных в таблице данных видно, что осаждение пылевых частиц от источников загрязнения приводит к накоплению ТМ в почве. Отмечается превышение ПДК по кадмию на расстоянии 0,5 - 9 км, максимальное накопление наблюдается в пяти километровой зоне, где превышение ПДК (19,4 мг/кг) составило в 7 раз (21,6 мг/кг). При удалении наблюдается тенденция к снижению валового содержания кадмия.
Валовое содержание кобальта в начальной точке отбора проб превышала ПДК, затем отмечалось постепенное его возрастание, но максимальное накопление данного элемента наблюдалось в 5 километровой зоне и составляло 44,8 мг/кг, что превышало ПДК в 4 раза. В дальнейшем наблюдалась тенденция постепенного снижения концентрации ТМ и в 15 километровой зоне оно уже было ниже ПДК. Содержание меди в почвенных образцах приближается к уровню ПДК, и максимальное значение наблюдалось на расстоянии 5 км и составило 85,8 мг/кг. Превышение по железу в среднем за период исследований по сравнению с фоном возрастало и максимальное превышение, как и по большинству элементов, на расстоянии 5 км было превышено фоновое содержание в 41 раз. По другим элементам их концентрация не превышала нормы (ПДК, фон).
В агроценозах сельскохозяйственных предприятий расположенных в зоне влияния карьера, хвостохрани-лища и отвалов при прочих равных условиях были отобраны образцы зерна озимой пшеницы и ярового ячменя для определения в них тяжелых металлов. Результаты анализов приведены в таблице 5.
Из данных таблицы 5 видно, что содержание тяжелых металлов в зерновой продукции превышены по большинству элементов, не наблюдалось лишь отклонение от ПДК в содержании кадмия. Так, в зерне ярового ячменя наблюдалось превышение концентрации в урожае, полученном на расстоянии 0,5 - 5 км. Максимальное количество Cd обнаружено в 5 км зоне.
В отличие от ячменя озимая пшеница наиболее интенсивно накапливала кадмий. Превышение наблюдалось в зоне 0,5-15 км, так как период вегетации у озимой пшеницы значительно больше. Максимальное превышение в 3,5 раза ПДК наблюдалось также как у ячменя в 5 км зоне, по мере удаления от источников загрязнения его концентрация снижалась.
Таким образом, производство зерновой продукции в 5 км зоне от источников загрязнения приводит к накоплению кадмия в зерне озимой пшеницы и ячменя и дальнейшей трансформации по трофическим цепям. Максимальное накопление данного элемента наблюдается в 5 км зоне.
Таблица 5 - Содержание тяжелых металлов в зерне озимой пшеницы и ярового ячменя
Выполненные нами исследования, на основе принятой в природоохранительной практике пяти уровневой шкалы оценки качества ОПС на Михайловском железорудном месторождении позволили нам выделить следующие зоны загрязнения почв и потери экологического качества ОПС. Территория до 7 км от источников загрязнения почв может быть отнесена к 4 уровню. Зона до 20 км соответствует уровню 3 потери качества ОПС. В ней не наблюдается превышения ПДК по содержанию тяжелых металлов. На расстоянии от 20 до 30 км экологическое состояние ОПС близко уровню 2, здесь отмечается значительное снижение уровня загрязнения почв и стабилизации биологической активности почвенного микронаселения.
В пределах территории, подверженной загрязнению ОПС тяжелыми металлами из карьера хвостохранили-ща и с поверхности отвалов черных пород Михайловского железорудного месторождения КМА позволили нам выявить зоны с различным уровнем деградации природной среды и почвенного покрова.
В соответствии с принятым в природоохранной практике методами ранжирования допустимого технического воздействия на почвы и окружающую среду в зоне функционирования Михайловского железорудного месторождения КМА 5ый уровень потери качества ОПС (чрезвычайно высокое содержание ТМ) отсутствует.
Вариант опыта Содержание элементов, мг/кг
Cd Си гп Бе Со
в зерне озимой пшеницы
0,5 км 0,11 1,35 10,8 14,4 1,3
2 км 0,12 1,69 11,9 17,8 1,4
5 км 0,14 1,89 12,4 19,2 2,8
10 км 0,09 1,72 11,9 17,8 2,1
15 км 0,06 1,58 10,6 14,5 1,5
20 км 0,02 1,27 10,5 14,4 1,1
в зерне ярового ячменя
0,5 км 0,05 3,41 21,4 32,1 0,9
2 км 0,08 4,56 23,7 34,5 0,8
5 км 0,09 5,78 28,9 37,0 1,1
10 км 0,03 4,32 24,2 35,7 0,9
15 км 0,01 3,53 21,2 30,1 0,8
20 км 0,02 2,86 19,4 27,9 0,8
ПДК 0,02 5 25 50 10
Почвенный покров на расстоянии до 7 км от источников загрязнения характеризуется высоким содержанием кадмия, кобальта, меди и железа, где превышение, кроме того отмечается заметное снижение микробиологической и ферментативной активности почв и количества популяции дождевых червей. Кроме того здесь отмечается снижение биологической активности микроорганизмов, фермента каталазы и популяции дождевых червей.
За пределами 7 км зоны до 20 км состояние ОПС и почвы соответствует 3 уровню загрязнения, здесь отмечены потери качества почв и активности почвенной биоты.
В зоне от 20 до 30 км загрязнение ОПС и почвы соответствует уровню 2. В этой зоне загрязнение почв ТМ не превышает ПДК, кроме железа, где его содержание составляет около 4 в сравнении с фоном и отмечена стабилизация активности микроорганизмов.
За пределами 7 км зоны до 20 км ОПС соответствует уровню 3 потери экологического качества почв и активности почвенной биоты. На расстоянии от 20 до 30 км ОПС соответствует уровню загрязнения 2. В этой зоне содержание ТМ не превышает ПДК кроме железа, где его содержание составляет около 4 ПДК, кроме того отмечается стабилизация микробиологической активности почв. На расстоянии 35 км зоны состояние ОПС следует отнести к уровню 1, где отмечено фоновое содержание в почве железа и ПДК тяжелых металлов.
Список использованных источников
1 Федеральный закон об охране окружающей среды. -М.: «Книга сервис», 2003. - 48с.
2 Булгаков Н.Г. Индикация состояния природных экосистем и нормирование факторов окружающей среды: обзор существующих подходов // Успехи современной биологии. -Т.122. - 2002. - №2. - С115-135.
3 Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем (локальный уровень). - Екатеринбург: Наука, 1994. - 280 с.
4 Зырин Н.Г., Обухов А.И. Принципы и методы нормирования (стандартизации) содержания тяжелых металлов почве и система почва-растение // Бюл. почв ин-та им В.В.Докучаева.
- 1989. - Вып.85. - С.7-10.
5 Рекомендации по фитомелиоративному закреплению шлакохранилищ горнообогатительных комбинатов КМА / В.Д.Муха, А.И. Стифеев, В.И. Прозоров. - Курск: Изд-во Курск. гос. с.-х. ак., 1996. - 9 с.
6 Харламова Е.Н., Заломихин А.В. Проблемы экологии города Старый Оскол // Экология окружающей среды и здоровья населения Центрального Черноземья: материалы научно-практической конф: в 2-х частях. Часть 2. - Курск: КГМУ, 2005. - С. 174-176.
7 Временная методика определения и предотвращения экологического ущерба. Госкомэкология России. Утверждена Председателем Госкомэкология России. От 09 марта 1999г. -М., 1999.
8 Звягинцев Д.Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей // Почвоведение.
- 1978. - №6. - С.48-54.
9 Левин С.В., Гузеев В.С., Асеева И.В. Тяжелые металлы как фактор антропогенного воздействия на почвенную микробиоту // Микроорганизм и охрана почв. - М.: МГУ, 1989. - С.5-46.
10 Обухов А.И., Плеханова И.О. Атомно-абсорбционный анализ в почвенно-биологических исследова-ниях.-М.:Изд-во МГУ, 1991. - 184 с.
11 Гиляров М.С. Почвенная фауна и задачи почвенной зоологии. - М.: Изд. АнСССР, 1953. - С. 12-18.
12 Бессонова Е.А., Стифеев А.И. Эколого-экономическая оценка деградированных и нарушенных сельскохозяйственных земель с учетом реабилитации почвенного плодородия // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - №6. - С.19-21.
13 Егоров В.Г., Стифеев А.И. Использование плодово-ягодных кустарников для создания устойчивых техногенных экосистем на отвалах Михайловского ГОКа // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. -2013. - №3. - С.45-48.
14 Глебова И.В., Стифеев А.И. Основные сорбционные параметры распределения свинца в почвах Курской области // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. - №4. - С.34-38.
Информация об авторах
Стифеев Анатолий Иванович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры экологии, садоводства и защиты растений ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА», тел. 8(4712) 5315-00.
Бессонова Елена Анатольевна, доктор экономических наук, заведующий кафедрой бухгалтерского учета, анализа и аудита ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», тел. 8(4712) 58-71-06.
Кемов Константин Николаевич, агроном-консультант ООО «Юпитер 9 Агротех», тел. 8-920-266-63-18, е-шай: КешСБ @уаМех. ги
Никитина Оксана Владимировна, кандидат сельскохозяйственных наук, старший преподаватель кафедры экологии, садоводства и защиты растений ФГБОУ ВПО "Курская ГСХА", тел.8-904-523-04-48, е-шаП: Nikioxana2009@yandex.ru
