Влияние аэротехногенного загрязнения отходами цементного производства на элементный состав хвои сосняков Свентокшисского воеводства (Польша) Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

2004 ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. Сер. 3 Вып. 2

ПОЧВОВЕДЕНИЕ ,

УДК 631.4

Н.Н. Федорова, А. Сверч

ВЛИЯНИЕ АЭРОТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОТХОДАМИ ЦЕМЕНТНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ХВОИ

СОСНЯКОВ СВЕНТОКШИССКОГО ВОЕВОДСТВА (ПОЛЬША)

Одним из источников загрязнения окружающей среды, в том числе почв, является промышленное производство строительных материалов. Всего предприятия по производству строительных материалов в России выбрасывают ежегодно более 38 млн т пыли, 60% которых составляет цементная [11]. Частицы цементной пыли могут переноситься на расстояния до 4-5 км от источника, охватывая значительные территории [16]. Количество пыли, ежегодно осаждающейся на поверхности почв, может достигать 10% от всего производства цемента и составлять до 150 т на 1 км2 [18]". Цементная пыль содержит от 10 до 40% кальция в виде оксида, карбоната, легкогидролизующихся силикатов, до 2,0-2,2% калия и характеризуется высокой мелиорирующей способностью, особенно на кислых почвах легкого гранулометрического состава [2]. Хотя цементная пыль считается нетоксичной, она может стать причиной изменения ряда свойств почв и их загрязнения за счет накопления некоторых химических элементов в больших концентрациях (табл. 1).

* Химическое загрязнение почв аэротехногенными выбросами вызывает существенные изменения в биогеоценозах. В первую очередь угнетаются населяющие почвы организмы, затем страдает высшая растительность и наконец начинаются процессы деградации почв и разрушения почвенного покрова, приводящие к формированию техногенных пустынь вблизи промышленных предприятий [11]. Нарушаются естественно сложившиеся фитоценозы, происходят существенные изменения в растениях, в золе растений возрастает содержание ряда химических элементов, достигая токсичных концентраций [19].

Нарушение соотношения между макро- и микроэлементами в почве негативно сказывается на состоянии растений и биоценоза в целом. Так, накопление кальция существенно меняет растворимость железа, цинка, молибдена, марганца, способствуя развитию хлороза [12], приводит к снижению потенциальной кислотности почвы, что вызывает изменения в составе микробоценоза за счет угнетения развития микромицетов [6]. Избыток калия нарушает поглощение растениями магния, кальция и натрия [1]. Изменение содержания тех или иных элементов оказывает влияние на интенсивность основных физиологических процессов, приводит к отклонениям от нормы развития, вызывает нарушения в характере роста кроны, повышает чувствительность растений к климатическим стрессам [22].

В связи с опасностью аэротехногенного загрязнения отходами цементного производства необходима организация регионального мониторинга окружающей среды, включающего контроль состояния почвенного и растительного покровов [11,16]. В мониторинговых исследованиях состояния окружающей среды широко используются биоиндикаторы (в том числе фито-

© Н.Н. Федорова, А. Сверч, 2004

Таблица 1. Содержание некоторых химических элементов в цементной пыли, мг/кг (по: [18])

Химический элемент Минимальное содержание Максимальное содержание Химический элемент Минимальное содержание Максимальное содержание

БО4 3575 33375 РЬ 172 836

Б 36 176 Си 7 218

Ре 8935 35149 Сг 33 87

гп 424 2822 Со 26 42

Мп 316 1055 . Сс1 7 31

индикаторы), реагирующие на разнообразные загрязнения [8, 10, 15, 22, 24, 27]. Одним из таких индикаторов, способствующих выявлению состояния природных систем, является хвоя сосны Ртш ¿г'/уа^ш [4, 9,22,25]. К преимуществам хвои сосны обыкновенной как биоиндикатора относятся исключительная пылезадерживающая способность, превышающая в 10-15 раз другие древесные породы [5, 22,23], а также широкий ареал и ее произрастание в разных типах леса. В частности, в Польше сосна является наиболее распространенной породой (до 70% площади лесов), она растет повсюду, за исключением района Бещад. Обычно в естественных условиях сосна занимает наиболее олиготрофные биотопы.

Установлено поступление элементов непосредственно в хвою растений из загрязненного пылью воздуха. Причем характер поглощения зависит как от свойств самих растений (размер хвоинок, степень покрытия их воском, местоположение в кроне), так и от условий загрязнения (размер частиц пыли, концентрация в них элементов, температура среды, освещенность) [21]. Используя хвою деревьев в качестве индикатора состояния окружающей среды, необходимо помнить о различиях в ее зольном составе в зависимости от стадии онтогенеза, возраста, экологических особенностей произрастания растений [7]. Некоторые исследователи [26] ре-комёндуют оценивать степень и характер загрязнения территории по количеству и химическому составу золы однолетней хвои сосны или двухлетней, как имеющей более стабильное содержание минеральных элементов. Повышенная концентрация ряда элементов в хвое старших возрастов объясняется более длительным периодом их поглощения из почвы и атмосферного воздуха [14, 20].

Исследование содержания ряда макро- и микроэлементов в хвое сосны проводилось в 2001-2002 годах на трех участках, находящихся под непосредственным воздействием выбросов предприятий цементной промышленности. Хвоя для анализа отбиралась в сосновых борах (ЬЧсгсто-Ртюп) возле цементных заводов: АО «Новины» в Ситкувке, АО «Лафарг Цемент Польша» в Малогощи, а также АО «Ожаров» в Ожарове. В качестве контроля были выбраны: сосновый бор (ЬеисоЬгуо-РтеШт), расположенный в Цисовско-Орловиньском пейзажном парке (местечко Вымыслов) - контроль 1, а также сосняк, произрастающий на бурой рендзине (Псарская гора, недалеко от Хентин) - контроль 2. Оба последних объекта находятся вне зоны действия промышленных эмиссий. Почвы в районах исследований представлены песчаными подзолами иллювиально-железистыми (по польской классификации - ржавыми подзолистыми), сформировавшимися на водно-ледниковых несортированных песках. Лишь на контрольном участке Псарская гора почва представляет собой бурую рендзину, образованную на девонских известняках [13].

На каждом из объектов исследования отбирали смешанные образцы одно- и двухлетней хвои с трех деревьев 40-70-летнего возраста. В измельченных образцах свежей хвои предварительно определяли кислотность (рН водный и солевой). Затем образцы высушивали при

/

/

температуре 40 °С в течение 24 ч, измельчали повторно в измельчителе РгкБсЬ'а и сжигали в электрической печи при температуре 450 °С. После растворения золы в 20%-ной соляной кислоте проводили определение элементов на спектрометре ДоЫп-Ууоп.

В период исследований на всех трех предприятиях не наблюдалось превышения предельных норм поступления пыли (200 г/м2 в год) на прилегающие территории [17]. Тем не менее осаждающаяся на хвое цементная пыль, а также поглощение ассимилирующим аппаратом деревьев повышенных количеств кальция и магния из загрязненной почвы, резко изменили кислотность хвои. Так, рНксь хвои в сосняках, расположенных вблизи цементных заводов, составил 4,9-5,1 по сравнению с контролем - 3,0-3,1 (парковый сосняк) и 3,4-3,5 (сосняк на рендзине). При этом не отмечено существенных различий в величине рН однолетней и двухлетней хвои. Однако в химическом составе золы такие различия имеют место на всех объектах, в том числе и контрольных (табл. 2). В частности, обнаружена более высокая концентрация калия и магния в однолетней хвое. Содержание кальция, алюминия, марганца, железа, натрия, бария, свинца, стронция, титана и цинка, напротив, более высокое в прошлогодней хвое. Количество кальция, как в однолетней, так и в двухлетней хвое сосняков, расположенных вблизи цементного завода «Новины», значительно выше, чем на контроле. В сосняках, подверженных воздействию двух других предприятий, наблюдается накопление кальция лишь в двухлетней хвое. Концентрация магния также стабильно выше в одно- и двухлетней хвое сосняков, находящихся вблизи цементных заводов, по сравнению с контролем 1. В хвое сосняков, развитых на девонских известняках (контроль 2), содержание магния близко к его количеству в хвое деревьев, произрастающих на загрязненных участках. Не обнаружено существен: ных различий в концентрации калия в хвое сосняков всех рассматриваемых объектов.

В молодой и прошлогодней хвое сосны, подвергающейся воздействию пылевых выбросов, а также растущей на карбонатной почве (контроль 2), обнаружены пониженные по сравнению с контролем 1 количества алюминия, железа, свинца, бария и особенно марганца (до 30-60-кратных различий), но вместе с тем наблюдается повышенное содержание титана и стронция (в двухлетней хвое); Относительно высокой концентрацией натрия характеризуется хвоя сосен, произрастающих на рендзине (контроль 2). В хвое парковых сосняков (контроль 1) его содержание снижается в 2-3 раза.

Минимальные количества натрия (в 3-5 раз меньше по сравнению с контролем 1) наблюдаются в хвое сосняков, расположенных вблизи-цементных заводов. В содержании цинка и меди в хвое изученных объектов значительных различий не обнаружено. Можно отметить лишь сравнительно высокое накопление меди в однолетней хвое сосняков на рендзине.

Как в однолетней, так и в двухлетней хвое сосняков, растущих вблизи цементных заводов, концентрация макроэлементов образует убывающий ряд, одинаковый для всех трех объектов:

Са Ж >М§ >А1 >Ре >№.

В отношении содержания микроэлементов наблюдаются некоторые различия: цементный завод в Новинах - 2п>Мп>8г>Си=РЬ>Т>Ва, цементный завод в Малогощи - Мп>2п>8г=Т>Си>РЬ>Ва, цементный завод в Ожарове - Мп>2п>Ть>Си>РЬ>8г>Ва.

Для сосняков, произрастающих на песчаных подзолах (контроль 1), а также для других естественных сосняков, не испытывающих воздействие выбросов промышленных предприятий, характерны следующие ряды содержания макро- и микроэлементов [3, 20, 26]: К >Са >А1 >Ре >№; Мп>гп>Ва>Си>РЬ>8г=Т1.

Следовательно, под воздействием цементной пыли в ряду макроэлементов на первое место вместо калия выходит кальций, а в ряду микроэлементов на последнем месте вместо титана и стронция оказывается барий.

с N

£

С £

3

U

CQ

ад

¿п

i

О CQ

и

О

о о о О, О ЧП гп о о О^ о оо ш" oe m' vi t»í m vo nVOntnNtt-'íinTf'n

Tf es m rf «n ^ vo

— Ttamoomcí'ío ooooooooo o o" o o o o" o" o' o o

tMO^MnOOOC O O O O O —(N en

ooooooooo ' o" o o' o" o" o' o d d

ООО — O — — ÍNOO OOOOOOOOOO

o o' o' o" o" o' o' o" o" o'

ON — O^CN — — CN — vo ooooooooo o" o' o" o' o' o" o" o" o'

r^oo — r^rqinN — vo T) — — M ^t VO ^ Tt rt 1Л Tt УО t

о" о" о с o' o"

<r> Tf

m vo o' d d

fM(N(NOOOO«n —--Tt

Ifl OO (N чО Г) Ó N Tf <4 «O

o o o' o o" o" o' o' o' o'

R К R « OS

es к к e* o?

X X X X X

o x o y. o

X >. X >1 X

Ц о Ч в 4

3 ч tí n 3

R. R К S5 К

к В? К К (Я

X X X X X

fe 5 fe <u fe

5 ч ч

X О X О X

>v X X >>

m cf ю d m

d 3 n 3 n

3

ОС

Я 5

5S X

3 s

я £

II

I

ge g

И ь со

$ и ет

2 «

>5

«С M W

JB- Я B-Ef x S

I I

•e- 2

я

í" 1

_

U O

— с

£ '5

0 л О. X

1

(N S

л S

4 (U

o o-

"P* « £

n

a

Q.

1С

o

X

J

s

■s

s

¡1

gd § s

X X

ce U

я 2

05 I

X X

g s

•H ü

II 0! <->

■Sí

5 « cr s

X

u Й

= I

с 2 * 2 « s

s >>

X u ? =

d 5

11

С й u

Ьй

s

В хвое сосняков, развитых на девонских . известняках (контроль 2), распределение элементов следующее:

К >Са >Mg >Na >Fe >А1; Zn >Mn >Cu >Ti >Pb>Sr >Ba.

По сравнению с хвоей сосняков, произрастающих на песчаных подзолах, здесь меняются местами натрий и алюминий, содержание кото-, poro оказывается минимальным. Распределение же микроэлементов приближается к хвое сосняков, расположенных вблизи цементных заводов.

Выводы. 1. Кислотность хвои сосняков, произрастающих вблизи цементных заводов (Свентокшис-ское воеводство), значительно снижена по сравнению с контролем (pHKCL 4,9-5,1 и 3,0-3,1 соответственно). Существенных различий в кислотности однолетней и двухлетней хвои не установлено. 2. На всех объектах, в том числе и контрольных, обнаружена более высокая концентрация калия и магния в однолетней хвое. Содержание кальция, алюминия, железа, натрия, бария, свинца, стронция, марганца, титана и цинка, напротив, более высокое в прошлогодней хвое. 3. Повышенная по сравнению с контролем концентрация кальция (особенно в двухлетней хвое), а также магния, титана, стронция наблюдается в хвое сосняков, подвергающихся аэральному загрязнению пылевыми выбросами. Вместе с тем установлено снижение концентрации алюминия, железа, свинца, бария и особенно марганца (до 30-60-кратных различий по сравнению с контролем) в хвое сосняков, расположенных вблизи цементных заводов. 4. При изученном аэротехногенном загрязнении в ряду макроэлементов, содержащихся в хвое сосны, на первое место вместо калия выходит кальций, а в ряду микроэлементов на последнем месте вместо титана и стронция оказывается барий. 5. Распределение элементов в хвое сосняков определяется химическим составом почв и почвообразующих пород. Так, по сравнению с хвоей сосняков, произрастающих на песчаных иллювиаль-но-железистых подзолах, в хвое сосняков, развитых на бурой рендзине, в ряду макроэлементов меняются местами натрий и алюминий, содержание которого оказывается минимальным. Распределение же микроэлементов приближается к хвое сосняков, расположенных вблизи цементных заводов. 6. Хлорозы хвои, искрив-■ ление стволов, торможение роста, наблюдающиеся в сосновых древостоях, расположенных вблизи цементных заводов, являются результатом не только механических повреждений ассимиляционного аппарата пылевыми выбросами, но и могут быть следствием избытка щелочноземельных металлов, извлеченных деревьями из загрязненной почвы.

Summary

Fedorova N.N., Sverch A. Influence of aerotechnogenic pollution of cement manufacture on elemental composition of pine needle Sventokshisskogo region (Poland)

The influence of cement dust on ash composition of pine needle was studied. The result shows that under the influence of aerotechnogenic pollution the acidity of pine decreases. Ash composition is mainly composed of Ca, while Ba occupies the last place in the microelement row.

Литература /

1. Алексеев Ю.В. Применение удобрений в сельском хозяйстве в связи с задачами охраны природы // Охрана природы и применение химических средств в сельском и лесном хозяйстве. J1., 1981. С.49-52. 2. Влияние промышленных предприятий на окружающую среду / Под ред. Д.А.Криволуцко-го. М., 1987. 3. Гворек Б., Дегорски Ы. Черника (Vaccinium murtillus) и хвоя сосны (Pinus silvestris L.J как показатели загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами на некоторых лесных биотопах в Польше // Польский ежегодник по почвоведению. 2000. Т. 1, № 1-2. С. 79-86. 4. Долобовская А.С. Характер биогенной аккумуляции в лесных подстилках // Почвоведение. 1975. № 3. С. 63-72. 5. Ефимов М.В. Влияние пыли на рост растений // Бот. журн. 1959. Т. 44, № 6. С. 822-824. 6. Звирбуль А.П. Принципы охраны лесных почв при их удобрении и известковании // Охрана природы и применение химических средств в сельском и лесном хозяйстве. Л., 1981. С.60-65. 7. Ильин В.Б. Элементный химический состав растений. Новосибирск, 1985. 8. Илькун Г.М. Загрязнители атмосферы и растения. Киев, 1978. 9. Кабата-Пендяс А., Пендяс Е. Биогеохимия микроэлементов. Варшава, 1999. 10. Кашу-линаГ.М. Аэротехногенная трансформация почв Европейского субарктического региона. Апатиты, 2002. 11. Лозановская И.Н., Орлов Д. С., Садовникова Л.К. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. М., 1998.12. МинеевВ.Г. Минеральные удобрения и окружающая среда//Вестн. сельско-хоз. науки. 1978. № 12. С.44-47. 13. МигашевскиМ. Использование биоиндикаторов для оценки загрязнения воздуха // Свентокшисский народный парк. Бодзентин-Краков, 2000. С. 441-453. 14. Мига-шевски М., Галушка А. Использование сосны для биоиндикационных исследований // Геологич. обозрение. 1997. Кн. 456. № 4. С. 403-407. 15. Мольски Б., Бытнерович А., Дмуховски В. Химический анализ хвои сосны обыкновенной как метод оценки загрязнения окружающей среды в Польше // Биоиндикация промышленного и сельскохозяйственного загрязнения среды. ПАН. Вроцлав; Краков; Гданьск; Лодзь, 1983. С. 149-156. 16. Орлов Д.С., Васильева В.Д. Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв. М., 1994. 17. Рапорт о состоянии природной среды в Свентокшисском воеводстве в 2000 г. // Воеводский инспекторат охраны окружающей среды. Кельце, 2001.18. РэуцеЖ., Крыстя С. . Борьба с загрязнением почв. М., 1986. 19. Скарлыгина-Уфимцева М.Д Техническое загрязнение растений тяжелыми металлами и его эколого-биологический эффект // Геохимические методы мониторинга. Минск, 1980. 20. Счубялка 3. Содержание азота и минеральных элементов в хвое как основа оценки снабжения сосны питательными веществами: Канд. дис. Варшава, 1981.80 с. 21. Тарчевский В.В. Влияние дымогазовых выделений промышленных предприятий Урала на растительность // Растения и промышленная среда. Свердловск, 1964. С. 5-71.22. Черненькова Т.В. Реакция лесной растительности - на промышленное загрязнение. М., 2002! 23. Ярославцев Д.Г. Пылезащитные свойства некоторых древесных пород // Изв. АН ТССР. 1954. № 5. С. 40-51.24. Brooks R. Indicator plants for mineral prospecting - a critique // Geochem. Explor. 1979. 12. P. 67-78. 25. Dmuchowski W., Bytnerowicz A. Monitoring environmental pollution in Poland by chemical analyses of Scots pine (Pinus silvestris L.) needles // Envirom. Pollut. 1995. N 87. P. 87-104. 26. Manninen S„ Huttunen S. Scots pine needles as bioindicators of sulphur deposition // Can. Jorn. Forest Res. 1995. N 25. P. 1559-1569. 27. Manninen S., Huttunen S., Torvela H. Needle and lichen sulphur analyses on two indastrial gradients // Water, Air and Soil Pollution. 1991. N 59. P. 153-163.

Статья поступила в редакцию 14 декабря 2003 г. v