CC BY
51
УДК 631.412:631.452
ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ФТОРИДАМИ АЛЮМИНИЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ДЕГРАДАЦИЮ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ БАЙКАЛЬСКОГО РЕГИОНА
Н.Н. Кириллова, Л.В. Помазкина
Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 132, [email protected]
Впервые экспериментально выявлено влияние разных уровней (10, 12, 16, 26 и 31 ПДК) загрязнения фторидами алюминиевого производства на изменение физических и химических свойств серых лесных пахотных почв лесостепи Байкальского региона. Показано, что накопление фторидов в почве приводит к негативным изменениям, в частности, связанным с обесструктуриванием и осолонцеванием, что сопровождается нарушением водно-воздушного режима, влиянием на изменение химических свойств и снижением буферности почв по отношению к фторидам ^NaF). Выявленные нарушения указывают на деградацию почвы, степень которой при повышении уровня загрязнения возрастает. Продолжающееся техногенное загрязнение серых лесных пахотных почв фторидами алюминиевого производства, приводящее к изменению их свойств, позволяет сделать долгосрочный прогноз негативных экологических последствий. Табл. 5. Библиогр. 16 назв.
Ключевые слова: изменение физико-химических свойств почв; серая лесная почва; техногенное загрязнение; фториды алюминиевого производства; деградация почв.
IMPACT OF POLLUTION BY ALUMINUM INDUSTRY FLUORIDES ON DEGRADATION OF BAIKAL REGION GRAY FOREST SOILS
N.N. Kirillova, L.V. Pomazkina
Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry, SB RAS 132, Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia, [email protected]
The study has for the first time identified the impact of different levels (10, 12, 16, 26 and 31 MAC) of aluminum industry fluorides on the change of physical and chemical properties of gray forests soils of Baikal region forest steppe. Fluorides accumulation in the soils has been shown to result in negative changes, in particular, those related to the loss of structure and solonization accompanied by disturbance of air-water mode, influence on change of chemical properties and reduction of soil buffer qualities in respect to fluorides (BNaF). The identified disturbances confirm soil degradation, the degree of which grows with the increase of pollution level. Continuous technogenic pollution of gray forest arable soils by aluminum industry fluorides resulting in the change of soils properties allows to make a long-term forecast of negative environmental consequences. 5 tables. 16 sources.
Key words: change of soil physical-chemical properties; gray forest soil; technogenic pollution; aluminum industry fluorides; soil degradation.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность решения проблемы деградации пахотных почв Байкальского региона обусловлена как их использованием в земледелии, так и техногенным загрязнением. Интенсивное развитие алюминиевого производства в регионе является существенным источником загрязнения среды, преимущественно выбросами фторидов, которые химически активны и токсичны. Например, Иркутский алюминиевый завод (ИркАЗ) ежегодно выбрасывает в атмосфе-
ру до 1110 т. фторидов, из которых более 40% составляют фториды натрия [4]. Длительный (1996-2013 гг.) на постоянных реперных участках в зоне ИркАза мониторинг указывает не только на постепенное повышение уровня загрязнения пахотных почв фторидами, но и на увеличение загрязненной площади. Известно, что воздействие загрязнения фторидами связанно не только с их накоплением в почве, но и с негативным воздействием на физические и
химические свойства, которые приводят к снижению плодородия и влияют на качество продукции полевых культур [11,12]. В связи с продолжающимся загрязнением пахотных почв, особый интерес представляют исследования, связанные с изменением физических и химических свойств почв в зависимости от накопления фторидов, что крайне важно для оценки отдаленных последствий и экологической безопасности земледелия.
Цель исследования - экспериментально оценить влияние разных уровней загрязнения фторидами алюминиевого производства на физические и химические свойства серой лесной пахотной почвы лесостепи Байкальского региона и с целью прогноза выявить отдаленные негативные последствия загрязнения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объект исследования - полевые мелкоде-ляночные опыты моделирования разных уровней загрязнения фторидами на серой лесной пахотной почве лесостепи Байкальского региона. Опыты проводили по разработанной ранее методике [10]. Техногенно загрязненная фторидами пахотная почва была вывезена из зоны аэровыбросов ИркАЗа на стационар СИФИБР СО РАН, где загрязнение почвы водорастворимыми фторидами соответствовало региональному фону - 4-5 мг/кг (< ПДК) [10], что не влияло на проведение планируемых экспериментов. На экспериментальном участке после удаления гумусового слоя в ограничивающие площадь делянки (0,25 м2) каркасы формировали слой (0-40 см) загрязненной фторидами (10 ПДК) почвы - фон. Высокие уровни загрязнения почвы моделировали дополнительным внесением разных доз химически чистой соли NaF, тщательно перемешивая ее в пахотном слое (0-20 см). Схема опыта: 1 - техногенно загрязненная почва (фон); 2 - фон + NaF3oo; 3 - фон + NaF6oo; 4 - фон + NaF900; 5 - фон + NaF1200. Опыт был заложен осенью 2009 г. Отбор почвенных проб проводили в сентябре следующего года. По-
добная постановка опыта позволила следить за трансформацией фторидов в почве, включая миграцию за пределы пахотного слоя, и изменениями свойств почвы, устранив фактор продолжающегося загрязнения.
В почвенных образцах определяли содержание валового и водорастворимых фторидов спектрофотометрическим методом [5]. Уровень загрязнения почвы фторидами оценивали по содержанию водорастворимой формы, для которой предельно допустимая концентрация (ПДК) составляет 10 мг/кг [13]. Степень подвижности фторидов рассчитывали как отношение водорастворимых фторидов к валовому их содержанию (СП = FBoД/Fвал, %) [7]. Физические и химические свойства почв, включая состояние гумуса, исследовали общепринятыми методами [1,14,15]. Показатель буферности почвы по отношению к NaF (Бма|т) рассчитывали по формуле, учитывающей химические параметры почвы [10]:
Бма| = [С х (Сгк:Сфк) * ЕКО]/№обм * СП.
Степень физической деградации почв оценивали по содержанию глыбистой и агрономически ценных фракций [3], а степень химической деградации по увеличению содержания обменного натрия, % от ЕКО [16] и по буферности почв по отношению к №1 [4, 6, 10].
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Исследования показали, что в исходной почве (фон) содержание валового фтора составляло 1085 мг/кг, а водорастворимых фторидов - 102 мг/кг, что соответствовало 10 ПДК. Внесение в почву разных доз фторида натрия повышало соответственно содержание валового фтора (табл. 1) и водорастворимых фторидов в почвах, уровень загрязнения которых достигал - 12, 16, 26 и 31 пДк. С повышением их уровня степень подвижности фторидов увеличивалась. Показатель СП в загрязненной 12 ПДК почве мало отличался от фона. В других вариантах он повышался, соответственно уровню загрязнения.
Таблица 1
Содержание и степень подвижности фторидов в серых лесных почвах
в модельном полевом опыте
Вариант Содержание фтора СП, %
Валовый Водорастворимый
мг/кг мг/кг ПДК
Техногенно загрязненная 1085 102 10 9,4
почва (фон)
Фон + NaF300 1289 118 12 9,2
Фон + NaF600 1602 160 16 10,0
Фон + NaF900 2067 257 26 12,4
Фон + NaF1200 2204 311 31 14,1
Таблица 2
Структурно-агрегатное состояние серых лесных почв
в зависимости от уровня загрязнения фторидами_
Уровень загрязнения почвы, ПДК Содержание физической глины (<0,01 мм) Содержание фракций (сухой рассев), % Кстр Степень агрегированности по Бэйверу (Аг), % Коэффициент дисперсности по Качинскому (Кд), %
> 10 10-0,25 < 0,25
мм
10 (фон) 35,6 27,2 68,5 4,3 2,19 37 31
12 36,2 23,2 72,2 4,7 2,60 29 32
16 36,3 38,8 58,5 2,8 1,43 20 38
26 38,2 58,3 40,1 1,7 0,68 7 58
31 36,9 71,1 28,2 0,8 0,40 6 52
Исследования физических свойств почв выявили, что их гранулометрический состав мало зависел от уровня загрязнения и соответствовал градации «суглинок средний песчано-пылеватый» с преобладанием фракций мелкого песка и крупной пыли. Структурно-агрегатный состав в загрязненных 10 и 12 ПДК почвах отличался незначительно (табл. 2). Доля агрономически ценных агрегатов достигала 68,5 и 72,2%, а глыбистой фракции 27,2 и 23,2% соответственно. Повышение уровня загрязнения резко снижало агрономически ценные структуры почв, особенно в варианте 31 ПДК до 28,2%, а содержание глыбистой фракции повышалось до 71,1%. Коэффициент структурности (Кстр), характеризующий отношение агрономически ценных агрегатов к сумме глыбистой и пылева-той фракций, с повышением уровня загрязнения снижался. В почвах загрязненных 16 и 26 ПДК он составлял соответственно 1,43 и 0,68 по сравнению с фоном (2, 19), а в 31 ПДК снижался до 0,40. Структурность почв изменилась от «хорошей» до «неудовлетворительной». Степень агрегированности по Бэйверу с повышением уровня загрязнения также снижалась. Если в почве 10 ПДК она была «высокая» (37%), то в почвах 12 и 16 ПДК соответствовала градации «весьма слабая», а в почвах с содержанием водорастворимых фторидов 26 и 31 ПДК достигала уровня «низкая». Одновременно повышался коэффициент дисперсности на 21-
27% по отношению к фону. Прочность микроструктуры согласно градации изменялась от «удовлетворительной» до «неудовлетворительной».
Обесструктуривание почвы при повышении загрязнения приводило к ее уплотнению (табл. 3). Плотность твердой фазы, зависящая от минералогического состава почвы и содержания органического вещества, была довольно стабильной и одинаковой (2,73 г/см3). Плотность сложения почв, как динамичный показатель, зависящий от минералогического состава, размера почвенных частиц, содержания органического вещества, структурного состояния, размера и формы воздушных полостей, напротив, существенно изменялась. Однако, если при загрязнении 12 и 16 ПДК она незначительно повышалась, то при 31 ПДК резко возрастала (1,40 г/см3, против 1,14 г/см3 в фоновом варианте). Уплотнение почв при повышении уровня загрязнения существенно влияло на водный, воздушный и тепловой режимы. Общая пороз-ность в загрязненных до 16 ПДК почвах не изменялась, а при 26 и 31 ПДК снижалась соответственно на 4 и 8%. Порозность почв изменялась от «отличной» до «неудовлетворительной». Общий запас влаги в загрязненных 26 и31 ПДК почвах достигал 52 и 53 мм по сравнению с фоном (44 мм). Повышение влажности почв сопровождалось уменьшением почвенного воздуха. При загрязнении 26 и 31 ПДК его содер-
Таблица3
Физические свойства серых лесных почв в зависимости _от уровня загрязнения фторидами_
Уровень загрязнения почвы, ПДК Плотность сложения, г/см3 Общая Воздухо- Общий запас влаги, мм
порозность, % содержание, %
10 (фон) 1,14 58 36 44
12 1,20 56 35 42
16 1,18 57 34 46
26 1,27 53 27 52
31 1,40 49 22 53
Таблица 4
Влияние уровня загрязнения фторидами на химические свойства серых лесных почв
Уровень загрязнения почв, ПДК рНвод Са2+ + Мд2+ №+ ЕКО Быа1 Гумус, % Пг Сгк-2:Сфк-2
мг-экв/100г
10 (фон) 7,6 29,9 0,2 33 43,9 2,34 0,20 3,0
12 7,9 29,4 1,0 34 7,8 2,31 0,25 2,4
16 8,1 28,1 2,3 34 2,7 2,31 0,27 2,2
26 8,2 26,6 4,8 34 1,0 2,33 0,28 2,1
31 8,3 26,9 5,8 34 0,7 2,24 0,29 2,0
жание соответствовало минимально необходимому уровню для нормального роста растений. Нарушения водно-воздушного режима с повышением уровня загрязнения создавали неблагоприятные условия для почвенных микроорганизмов и корней растений.
Изменения физических свойств серой лесной пахотной почвы характеризуют ее деградацию в условиях высокого загрязнения фторидами. Согласно шкале Бондарева и Кузнецовой (1999), при уровне 10 и 12 пДк физическая деградация почвы соответствовала степени «слабодеградированная», тогда как при загрязнении больше 16 ПДК была «сильнодеградированная».
Воздействие загрязнения фторидами на химические свойства почв, прежде всего, проявлялось в изменении почвенного поглощающего комплекса (табл. 4). Взаимодействие фтора с ионами кальция и магния приводило к их снижению в составе обменных оснований. В загрязненной 12 ПДК почве содержание их по сравнению с фоном отличалось незначительно. С увеличением уровня загрязнения до 26 и 31 ПДК показатель снижался (26,6 и 26,9 мг-экв/100г соответственно), а доля натрия, напротив, повышалась. Почвы загрязненные 10 и 12 ПДК соответствовали градации «несолонцеватая» (1 и 3% от ЕКО), 16 ПДК «слабосолонцеватая» (7% от ЕКО), а 26 и 31 ПДК «солонцеватая» (14 и 17% от ЕКО). Развитие процессов осолонцевания сопровождалось подщелачива-нием (до рН = 8,3, против 7,6 в фоновом варианте).
Независимо от уровня загрязнения общее содержание гумуса в почвах соответствовало градации «низкое», а степень гумификации -«высокая» [9]. С повышением загрязнения (начиная с 16 ПДК) тип гумуса менялся с «гуматно-го» на «фульватно-гуматный». Снижение качества гумуса связано с ослаблением полимеризации гумусовых структур (формированием гу-матов), что характеризует снижение соотношения Сгк-2:Сфк-2 [8]. Повышение углерода во фракциях ГК-1 и ФК-1 а демонстрирует лабильность гумусовых веществ, что также подтвер-
ждает их подвижность (Пг) [2], которая на загрязненной 31 ПДК почве в 1,5 раза выше по сравнению с фоном. Результаты указывают на признаки деградации гумуса с повышением содержания фторидов в почве.
Буферность почв по отношению к фториду натрия (БМа|), как интегральный показатель, учитывающий изменения химических свойств, при загрязнении 26 и 31 ПДК резко снижалась (соответственно 1,0 и 0,7 по сравнению с фоном - 43,9). Изменения показателя в основном были связаны с повышением СП фторидов и содержанием обменного натрия в почвах.
Негативные воздействия при высоких уровнях фторидов, способствующие изменению буферности по отношению к №1, показывают химическую деградацию пахотных почв. Согласно шкале, учитывающей содержание обменного натрия в почве [16], при загрязнении 12 ПДК деградация соответствовала степени «слабодеградированная», при 16 ПДК - «сред-недеградированная», а при 26 и 31 ПДК -«очень сильнодеградированная». В табл. 5 степень деградации серой лесной пахотной почвы в зависимости от уровня загрязнения фторидами выражена в баллах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, происходившие под воздействием фторидов алюминиевого производства негативные изменения физических и химических свойств серых лесных пахотных почв Байкальского региона зависели от уровня загрязнения. При высоких уровнях загрязнения (26 и 31 ПДК) изменения физических свойств были связаны с диспергированием почвенной массы, снижением доли агрономически ценных агрегатов, повышением глыбистости и уплотнением, что приводило к существенному нарушению водного и воздушного режимов. Негативные изменения химических свойств проявлялись в подщелачивании, осолон-цевании, усилении подвижности гумусовых веществ и снижении буферности почв по отношению к фторидам. Выявленные нарушения, связанные с повышением уровня загрязнения, характеризу-
Оценка степени деградации серой лесной почвы в зависимости _от уровня загрязнения фторидами_
Таблица 5
Показатель Уровень загрязнения, ПДК
10 12 16 26 31
Физическая деградация почв*
Содержание глыбистой фракции, % Содержание агрегатов 10-0,25 мм, % 1 1 1 1 2 3 со со со со
Химическая деградация почв
Увеличение содержания №обм, % от ЕКО** 0 1 2 4 4
Буферность почв по отношению к NaF*** 1 2 2 4 4
Примечание: I) Степень деградации, баллы: 0 - недеградированная; 1 - слабая; 2 - средняя; 3 - сильная; 4 - очень сильная. II) Способ оценки: *Бондарев, Кузнецова, 1999; **Шептухов и др., 1997; ***Помазкина и др., 2004, 2013.
ют деградацию почв. Так, при 10 ПДК она соответствует степени «слабодеградированная», при 12 ПДК - «среднедеградированная», при 16 ПДК - «сильнодеградированная», а при 26 и 31 ПДК - «очень сильнодеградированная». Использование этих почв в земледелии требует
ремедиации («remedium» - очистка, восстановление). Продолжающееся техногенное загрязнение серых лесных пахотных почв фторидами алюминиевого производства приведет к необратимым экологических последствиям.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 12-04-31770- мол_а, 12-04- 98054-р_сибирь_а, 14-05-00735-а, 14-45-04040-р_сибирь_а).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Агрохимические методы исследования почв / под ред. Соколова А.В. М: Наука, 1975. 656 с.
2. Бирюкова О.Н., Орлов Д.С., Рейнтам Л.Ю., Мефодьева Л.Н. Влияние сельскохозяйственного использования на гумусное состояние и некоторые свойства бурых псевдоподзолистых почв // Агрохимия. 1986. № 2. С. 71-76.
3. Бондарев А.Г., Кузнецова И.В. Проблема деградации физических свойств почв России и пути ее решения // Почвоведение. 1999. № 9. С. 1126-1131.
4. О состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2013 году : государственный доклад. Иркутск: Изд-во ИГ СО РАН, 2014. 389 с.
5. Дмитриев М.Т., Казнина Н.И., Пинигина И.А. Санитарно-химический анализ загрязняющих веществ в окружающей среде. Справочное издание. М. : Химия, 1989. 368 с.
6. Котова Л.Г, Помазкина Л.В., Зорина С.Ю. Экологические аспекты загрязнения пахотных почв фторидами алюминиевого производства // Экологическая химия. 2007. № 16.
С. 39-45.
7. Кремленкова Н.П. Накопление и перераспределение техногенного фтора в почвах южной части нечерноземной зоны // Почвоведение. 1993. № 9. С. 87-93.
8. Овчинникова М.Ф. Особенности транс-
формации гумусовых веществ в разных условиях землепользования (на примере дерново-подзолистой почвы): автореф. ... дисс. д-ра биол. наук. М., 2007. 46 с.
9. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Розанова М.С. Дополнительные показатели гумусного состояния почв и их генетических горизонтов // Почвоведение. 2004. № 8. С. 918-926.
10.Помазкина Л.В., Котова Л.Г., Лубнина Е.В., Зорина С.Ю., Лаврентьева А.С. Устойчивость агроэкосистем к техногенному загрязнению фторидами. Иркутск: ИГ СО РАН, 2004. 225 с.
11.Помазкина Л.В. Интегральная оценка влияния техногенного загрязнения и климатических факторов на агроэкосистемы Байкальской природной территории // Успехи современной биологии. 2011. Т.131, № 2. С. 193-202.
12.Помазкина Л.В., Соколова Л.Г., Звягинцева Е.Н., Семенова Ю.В., Кириллова Н.Н. Трансформация и баланс углерода в агроэко-системах интенсивного севооборота на агросе-рых почвах лесостепи Прибайкалья // Агрохимия. 2013. № 4. С. 3-10.
13.Санитарные нормы допустимых концентраций химических веществ в почве САН ПиН 42-128-4433-87. М.: МЗ СССР. 1987. С. 5-53.
14.Теории и методы физики почв. Коллективная монография / под ред. Е.В Шеина и Л.О. Карпачевского. М.: «Гриф и К», 2007. 616 с.
15.Теория и практика химического анализа почв / под ред. Л.А. Воробьевой. М.: ГЕОС, 2006. 400 с.
16.Шептухов В.Н., Решетина Т.В., Березин
1. Agrokhimicheskie metody issledovanyja pochv [Agrochemical methods of soil studies]. Edited by A.V. Sokolova. Moscow, Nauka Publ., 1975, 656 p.
2. Biryukova O.N., Orlov D.S., Reintam L.Yu., Mefod'eva L.N. Agrokhimiya - Agricultural Chemistry, 1986, no. 2, pp. 71-76.
3. Bondarev A.G., Kuznetsova I.V. Pochvovedenie - Eurasian Soil Science, 1999, no. 9, pp. 1126-1131.
4. Gosudarstvennyi doklad «O sostoyanii i ob okhrane okruzhayushchij sredy Irkutskoi oblasti v 2013 godu» [State Report "On the state and protection of the environment of the Irkutsk region in 2013."]. Irkutsk, IG SO RAN Publ., 2014, 389 p. (in Russ.)
5. Dmitriev M.T., Kaznina N.I., Pinigina I.A. Sanitarno-khimicheskii analiz zagryaznyayushchikh veshchestv v okruzhayushchei srede. Spravochnoe izdanie [Sanitary-chemical analysis of pollutants in the environment. Reference edition]. Moscow, Khimiya Publ., 1989, 368 p.
6. Kotova L.G, Pomazkina L.V., Zorina S.Yu. Ekologicheskaya khimiya - Ecological Chemistry, 2007, no. 16, pp. 39-45.
7. Kremlenkova N.P. Pochvovedenie - Eurasian Soil Science, 1993, no. 9, pp. 87-93.
8. Ovchinnikova M.F. Osobennosti transformatsii gumusovykh veshchestv v raznykh usloviyakh zemlepol'zovaniya (na primere dernovo-podzolistoi pochvy) [Features of transformation of humic substances in different conditions of land use (for example, sod-podzolic soil)]. Avtoref. dis. doct. biol. nauk - Author's abstract of Dr. Sci. Biol. thesis, Moscow, 2007,
П.Н., Карманов И.И., Виноградов Б.В., Зимовец Б.А. О совершенствовании оценки процессов деградации почв // Почвоведение. 1997. № 7. С. 799-805.
46 р.
9. Orlov D.S., Biryukova O.N., Rozanova M.S. Pochvovedenie - Eurasian Soil Science, 2004, no. 8, pp. 918-926.
10.Pomazkina L.V., Kotova L.G., Lubnina E.V., Zorina S.Yu., Lavrent'eva A.S. Ustoichivost' agroekosistem k tekhnogennomu zagryazneniyu ftoridami [The Resistance of Agroecosystems to Fluoride Pollution]. Irkutsk, IG SO RAN Publ., 2004, 225 р.
11.Pomazkina L.V. Uspekhi sovremennoi biologii - Biology Bulletin Reviews, 2011, no. 2, pp. 193-202.
12.Pomazkina L.V., Sokolova L.G., Zvyagintseva E.N., Semenova Yu.V., Kirillova N.N. Agrokhimiya - Agricultural Chemistry, 2013, no. 4, pp. 3-10.
13. Sanitarnye normy dopustimykh kontsentracii khimicheskikh veshchestv v pochve SAN PiN 42-128-4433-87 [Sanitary standards of permissible concentrations of chemicals in soil SAN PIN 42-128-4433-87]. Moscow, MZ SSSR Publ., 1987, pp. 5-53.
14. Teorii i metody fiziki pochv: kollektivnaya monografiya [Theories and methods of soil physics: collective monograph.]. Edited by E.V Shein & L.O. Karpachevskii. Moscow, «Grif i K» Publ., 2007, 616 р.
15. Teoriya i praktika khimicheskogo analiza pochv [Theory and Practice of the Chemical Analysis of Soils]. Edited by L.A. Vorob'eva. Moscow, GEOS Publ., 2006, 400 р.
16.Sheptukhov V.N., Reshetina T.V., Berezin P.N., Karmanov I.I., Vinogradov B.V., Zimovets B.A. Pochvovedenie - Eurasian Soil Science, 1997, no. 7, pp. 799-805.
Поступило в редакцию 15 октября 2014 г.
