CC BY
15ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПЛОДОРОДИЯ
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЗЕМЛЕДЕЛИИ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЁННЫХ ВЫБРОСАМИ ПРЕДПРИЯТИЙ ЧЁРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
В.С. Груздев, д. г. п., Л.П. Груздева, д.б.н., Государственный университет по землеустройству
Рассмотрено загрязнение агроландшафтов техногенными выбросами предприятий чёрной металлургии, расположенных в лесной и лесостепной зонах России. Показаны накопление в почве тяжёлых металлов, оксидов кальция и магния и возрастание щёлочности почв, что приводит к сукцессиям в почвенном и растительном покровах, снижению биоразнообразия и биологической активности почв. Проанализированы возможности использования и методы санации в разной степени загрязнённых почв.
Ключевые слова: агроландшафт, техногенное воздействие, биоразнообразие, загрязнение, чёрная металлургия, почва, растения, хлороз, сукцессия.
Предприятия чёрной металлургии России расположены в разных природных зонах, различающихся типами почв и проходящими в них почвенными процессами. Поэтому техногенные выбросы предприятий чёрной металлургии после поступления в почву подвержены неодинаковым процессам аккумуляции и трансформации. Это говорит о необходимости дифференцированного подхода при разработке стратегии и тактики использования загрязнённых почв. При производстве чёрных металлов в атмосферу выбрасывается много газов (S02, NO, N02 и др.), вызывающих вместе с С02 парниковый эффект и выпадение кислых осадков. Но к подкислению почв, в отличие от воздействия цветной металлургии, это не приводит, так как одновременно с пылевыми выбросами в почву поступают карбонаты кальция и магния, нейтрализующие кислотность и подщелачивающие почву [1, 2, 3]. Наиболее неблагоприятные воздействия на почву оказывает накопление карбонатов, тяжелых металлов (ТМ), развитие щелочности, а для вегетирующих растений особенно вредны газообразные выбросы, содержащие серу, количество которой в воздухе в изученных регионах неодинаково (табл. 1).
Методика. Проведены экспедиционные и лабораторные исследования загрязнения агроландшафтов в лесной и лесостепной зонах. При исследовании техногенного воздействия предприятий чёрной металлургии исходили из разработанной B.C. Груздевым концепции зонально-провинциального проявления техногенного воздействия на компоненты ландшафтов природных зон, подзон и провинций. С учётом розы ветров, на терри-
ториях, подверженных воздействию выбросов предприятий чёрной металлургии, проведены маршрутно-ключевые исследования с геоботаническим описанием ключевых участков, изучением строения почвенного профиля и взятием образцов почв на анализ и биоиндикацией техногенного воздействия (Калуцков, 1992; Каменский, 2001, Груздев, 2006, 2008, Безно-сиков и др., 2008; и др.). Образцы почв были проанализированы по 28 показателям в ГЕАХИ им. В. Вернадского. Часть анализов и опыты по биотестированию загрязнённых почв проведены в Государственном университете по землеустройству на кафедре земледелия и растениеводства.
1. Эмиссии и выпадение серы для исследованных областей
Область и Эмиссия с техноген- Оценка техногенных выпа-
город ных земель, дении серы по данным
(кг/км2)/год (по ста- мониторинга(Росгидро-
тистическим дан- мет), (кг/км2)/год (в
ным) ед.серы)
Вологодская 17137,4 246
Череповец 912
Московская 6704,815 1000-1500
Москва Более 1500
Тульская 12126, 07 653
Тула 2737
Липецкая 12512,98 578
Результаты и их обсуяедение. Проведён комплексный анализ состояния окружающей среды (ОС) в регионах с чёрной металлургией, что позволило прогнозировать её дальнейшее изменение. Данные таблицы 2 иллюстрируют особенности техногенного воздействия выбросов на компоненты ландшафтов природных зон и подзон, постепенное подщела-чивание почв в результате накопления оксидов кальция и магния, накопление тяжёлых металлов (ТМ). Скорость этих процессов зависит от изначальной величины рН почв, объёма техногенных выбросов и периода их накопления. Зона техногенного воздействия постепенно увеличивается.
2. Характеристика воздействия техногенного загрязнения выбросами предприятий черной металлургии
Природная зона Природная подзона, провинция Почвы, рН Реакция компонентов ландшафтов на техногенное загрязнение от предприятий черной металлургии
реакция почв реакция растительности
Лесная Южная тайга, Верхневолжская Подзолистые, болотно-подзолистые, 4,5-5,5 Поступление оксидов кальция и магния подщелачивает почвы. Характерно накопление цинка, железа, меди, никеля и др. Наибольшее накопление - в суглинистых почвах В лесах наблюдается деградация мохового покрова, т.к. мхи-кальциефобы, брусника и черника хорошо сохраняются, потому что имеют высокий порог накопления ТМ. Снижаются приросты и возобновление древостоя. На лугах выпадают бобовые, разрастаются бодяк и другие сорняки
Широколиственно- хвойные леса, Мещерская Дерново-слабоподзолистые, 5,0-6,5 На подзолистых песчаных почвах в лесах и некосимых лугах накопление кальция приводит к деградации мхов. Накапливаются Рв, Ъп, 8п, Сс1, Си, Т^Ва, А? Из фитоценозов выпали бобовые, герани, вероника, многие злаки и др. Фитотоксичность ТМ увеличивается в последовательности: РЬ<2п<Си<Со<Сс1. Осока лисья накапливает цинк и медь. Разрастаются борщевик Сосновско-го, полыни и другие сорняки
Лесостепная Северная лесостепь, Заосет-ринская Серые лесные и оподзоленные чернозёмы, 5,5-6,8 По мере загрязнения в результате накопления оксидов кальция и магния рН с 5,8 изменяется до 6, 8; 7,2; 7,5. Накапливаются 81, Т1, Бе, Сг, 8, Со, N1, 8г, Ва, А?,РЬ На лугах при загрязнении выпадают бобовые и многие злаки. Преобладают сорняки и другие виды семейства астровых (бодяк, золотая розга, чертополох). В лесах снижаются приросты и жизненность древостоя и возобновление, появляются мертвопокровные парцеллы
Южная лесо- Чернозёмы В загрязненной почве рН достигает В зоне сильного загрязнения (до 2 км) формиру-
степь. Среднерусская
оподзоленные. выщелоченные и типичные, 6.6-7.2
8.1. накапливаются РЬ. Сг. №. Ъп (в 2-8 раз). Бе. Ти Мп. Са. Mg
ется техногенная пустыня - сосны и травы усохли. В зоне довольно сильного загрязнения (до 5 км) у сосен хлороз и некроз, усыхание ветвей и отдельных деревьев, травяной покров изрежен. Сохраняется типчак_
Зона техногенного воздействия от комбината «Северсталь» достигает 55 км [3]. К настоящему времени в почвах развилась щёлочность, накопились карбонаты и ТМ (табл. 3).
3. Изменение почв в зоне влияния комбината «Северсталь»
рн Валовое содер- Содержание ТМ. мг/кг почвы
жание железа в (2010 г.)
верхнем слое
почвы. %
фоно на рас- фоно- на На расстоянии На расстоянии
вое стоянии вое рас- 15 км от ком- 0.2- 2 км
значе 2 км от значе- стоянии бината от комбината
ние комбината ние 2 км от комбината гп Си N1 Хп Си №
6.1- 7.3-7.5 3-4 10-13 7,0 0.35 0.39 30- 0.5- 7.6
6.2 (1995 г.) 7.5-7.7 (2006 г.) (1995 г.) 13-15 (2006 г.) 180 0.9
Данные таблицы 3 показывают постепенное увеличение щелочности почв с годами, накопление техногенного железа и ТМ. Выпадающие из воздуха загрязнения первоначально аккумулируются в верхнем слое почвы (0-10 см), но в дальнейшем при вспашке и под действием почвенных вод частично проникают глубже. Обнаружено, что на фоновой территории в водоохраной зоне Рыбинского водохранилища вблизи д. Гаютино для господствующих щучковых лугов характерен более богатый видовой состав (более 20 видов трав), чем на загрязнённых территориях. В зоне слабого загрязнения (35-40 км от комбината) во флоре щучковых лугов сохраняется 10-12 видов, но виды клевера уже не встречаются, из мотыльковых присутствуют горошек мышиный и чина луговая. В зоне среднего загрязнения (20-25 км) доминирует щучка луговая, присутствуют 7-10 видов, из мотыльковых сохраняется только чина луговая, но её обилие значительно уменьшилось и жизненность снизилась. В зоне сильного загрязнения (2-10 км) видовой состав обеднён, щучка исчезает, так как она ге-микриптофит и её почки возобновления находятся у поверхности почвы, где на некосимых лугах загрязнения задерживаются надолго. Из злаков здесь преобладают виды полевицы и тростник южный. Характерно также большое обилие лесо-опушечных и сорных видов (бодяк, мать-и-мачеха, купырь и др.). Установлено, что биоразнообразие на лугах по мере нарастания техногенного загрязнения постепенно снижается и изменяется соотношение эколого-фитоценотических групп видов (рис.).
4. Возможности использования и санации в разной степени загрязнённых почв агроландшафтов
Рис. Соотношение эколого-фитоценотических групп видов на щучковых лугах на разном расстоянии от «Северстали»
В зонах техногенного воздействия комбината «Электросталь» и Косогорского металлургического комбината на лугах и в зелёных насаждениях также наблюдается деградация растительного покрова. Для характеристики техногенного загрязнения принято выделять категории почв по суммарному показателю загрязнения (Ъс). Были проанализированы возможности использования в земледелии и мероприятия по санации в разной степени загрязнённых почв (табл. 4). Основным критерием гигиенической опасности загрязнения почв является ПДК веществ. Кроме того, при оценке загрязнения почв следует учитывать характер землепользования, имея в виду, что особенно опасно загрязнение почв агроландшафтов. Оценка воздействия загрязнения зависит также от буферности почв, проявление которой неодинаково для природных зон, подзон и ландшафтных провинций. В зависимости от буферности одни и те же объём и состав загрязняющих веществ (ЗВ) проявляются неодинаково в почвах природных зон, подзон и провинций. Развитию буферности способствует содержание в почве вторичных минералов, гумуса и рН. Чем меньше буферность почвы, тем более опасное загрязнение. При одинаковом индексе загрязнения почв (ИЗП) загрязнение более опасно для кислых почв, почв с меньшим содержанием гумуса и более лёгким гранулометрическим составом. Как показали исследования, опасность загрязнения почв ТМ возрастает в последовательности: чернозём < серые лесные почвы < дерново-подзолистые суглинистые < дерново-подзолистые супесчаные и песчаные.
Индекс загрязнения почв Ъс ПДК и загрязнённость почв Рекомендации по возможному использованию почв Рекомендации по санации почв
< 16.0 Содержание ЗВ немного превышает фоновое, но не достигает ПДК Использование под любые культуры Снижение объёма техногенных выбросов, внесение органических удобрений для снижения подвижности ЗВ
16.1-32.0 Наблюдается превышение ПДК при лимитирующем общесанитарном и миграционном водном показателе Возможно применение в основном полевых севооборотов с обязательным контролем качества продукции Преимущественное применение органических, органо-минеральных и комплексных удобрений. Контроль за качеством поверхностных и подземных вод
32.1-128 ПДК превышено при лимитирующем транслокационном показателе вредности Возможно использование под технические культуры, не предназначенные для производства продуктов и кормов Применение органических удобрений, внесение в почву ионообменных смол, целлитов. Посев и выращивание растений - концентраторов ТМ с последующим удалением биомассы на свалки или на получение биогаза
>128 Превышает ПДК по всем показателям Исключить из сельскохозяйственного использования На небольших участках возможно удаление верхнего слоя почвы и замена его незагрязнённой почвой. На почвах с мощным гумусовым горизонтом (чернозёмы) возможно при специальной ярусной вспашке перемещение загрязнённого горизонта на глубину 35 см и более в слои, не относящиеся к пахотному горизонту, учитывая, что питающие корни растений размещаются в основном в пахотном горизонте
* Категория почв по степени загрязнения
Плодородие №6*2013
- допустимое загрязнение.
В России и за рубежом проблема санации загрязнённых почв всё более актуальна. В этих целях широко внедряется в практику метод фиторемидиации - извлечение ЗВ из почвы с помощью растений - гипераккумуляторов. К гипераккумуляторам относится несколько видов семейства астровых (мать-и-мачеха, золотая розга, кресс - салат, бодяк, подсолнечник и др.), а также семейства капустных (горчица полевая и сизая, рапс, редька), крапива двудомная. Из мятликовых рекомендуют выращивать: сорго сахарное, пырей ползучий, щетинник зелёный.
На посевах зерновых и других культур советуют применять гуматы кальция и магния, препятствующие проникновению кадмия в зерно, гуминовые вещества (например, активизирующие деятельность полезных почвенных микроорганизмов и адсорбирующие нефтепродукты и ТМ). По устойчивости к воздействию комплекса ТМ сельскохозяйственные культуры можно расположить в убывающий ряд: травы > злаковые > зерновые > картофель > сахарная свекла. Особенно нежелательно на загрязнённых почвах выращивать овощи. Фиготок-сичным считается такое содержание ТМ в почве, которое снижает урожайность растений на 10% и более по сравнению с контролем. В качестве критерия используют ПДК содержания ТМ в растениеводческой продукции. Почву можно считать условно чистой, если концентрация ТМ в фазе технической спелости культур меньше ПДК. Для определения фиготоксич-ности можно использовать биотестирование почв [2].
Заключение. Показано, что ответная реакция ландшафтов и их компонентов на техногенное загрязнение зависит не только от состава и объёма последних, но и от положения ландшафта в природной зоне, подзоне и провинции. Неодинаковая ответная реакция ландшафтов на техногенное загрязнение зависит от структуры и гранулометрического состава почвы, содержания в ней гумуса и обменных оснований и от
реакции почвенного раствора. Это приводит к разнонаправленным сукцессиям в почвенном и растительном покровах, снижению биоразнообразия и биологической активности почв. Для сельскохозяйственного производства в условиях техногенного загрязнения более пригодны суглинистые и глинистые почвы, глинные минералы которых образуют с ТМ нерастворимые соединения. Для снижения щёлочности рекомендуется использовать физиологически кислые минеральные удобрения. Сильно загрязнённые почвы следует выводить из сельскохозяйственного использования. Для очистки загрязнённых почв рекомендуют фиторемедиацию. Литература
1. Безносиков В.А., Лодыгин Е.Д., Кондратенок Б.М. Ландшафтно-геохимическое распределение тяжелых металлов в почвах фоновых ландшафтов северной тайги // Тр. Ин-та биологии Коми НЦ УрО РАН. Сыктывкар, 2008.
2. Груздев B.C. Мониторинг состояния ландшафтов в зоне влияния металлургического центра «Северсталь» // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель.-2006,- № 11,- С. 79-83.
3.Груздев B.C., Шаповалов Д.А. Влияние техногенных выбросов на почвы и растительность (на примере ОАО «Северсталь»)// Экология и промышленность России. -2008. - С. 32-35.
4. Груздев B.C. Влияние чёрной металлургии на состояние окружающей среды // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. -2008,-№4,- С. 47-51.
5. Калуцков В.Н. Основание экологической экспертизы в черной металлургии // Основы эколого-географической экспертизы,- М.: Изд-во МГУ, 1992,- С. 158-177.
6. Каменский И.В. Экология черной металлургии в настоящем и будущем// Сталь,- № 6,- 2001,- С. 107-111.
7. Кравец Е.А. Возможности комплексного использования данных об эмиссиях загрязняющих веществ и результатов мониторинга для анализа загрязнения окружающей среды // Экология урбанизированных территорий. -2007,- №4. - С. 102-108.
AGRICULTURAL USABILITY OF SOILS CONTAMINATED WITH EMISSIONS FROM IRONWORKS
V.S. Gruzdev, L.P. Gruzdeva
State University on Land Management ul. Kazakova 15, Moscow, 105064 Russia, E-mail: gruzdev-vladimir@yandex.ru
The contamination of agrolandscapes with technogenic emissions from ironworks located in the forest and forest-steppe zones of Russia has been considered. Accumulation of heavy metals and calcium and magnesium oxides has been revealed, as well as an increase in soil alkalinity, which causes successions in the soil and plant covers and decreases the biodiversity and biological activity of soils. The usability of soils at different degrees of contamination and methods for their rehabilitation have been analyzed. Keywords: agrolandscape, technogenic impact, biodiversity, contamination, ironworks, soil, plants, chlorosis, succession.
