Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Аккумуляция тяжелых металлов почвами и растениями под воздействием природных и техногенных факторов в районе угольного месторождения "Каражыра" (Республика Казахстан, Восточно-Казахстанская область)

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Аккумуляция тяжелых металлов почвами и растениями под воздействием природных и техногенных факторов в районе угольного месторождения "Каражыра" (Республика Казахстан, Восточно-Казахстанская область)"

На правах рукописи

Воривохина Наталья Михайловна

Аккумуляция тяжелых металлов почвами и растениями под воздействием природных и техногенных факторов в районе угольного месторождения "Каражыра"(Республика Казахстан, Восточно-Казахстанская область)

03.00.16 - экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

./Ж/ г с

Самара 1998

Работа выполнена на кафедре специальных химических дисциплин Государственного университета "Семей"

Научный руководитель - кандидат сельскохозяйственньгх

наук, профессор Панин М.С.

Официальные оппоненты - доктор биологических наук ,

профессор Розенберг Г.С.

- кандидат биологических наук , доцент Прохорова Н.В.

Ведущая организация - Саратовский государственный

университет им. Н.Г. Чернышевского

Защита состоится " /^/Т^^/СЛ'- 1998 года в часов на

заседании диссертационного совета К 063.94.04 по присуждению ученой степени кандидата биологичесих наук в Самарском государственном университете по адресу:

443011. г.Самара, ул. академика Павлова. 1. Самарский государственный университет, биологический факультет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета

Автореферат разослан

«¿о «98 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук , доцент / //7х Мозговой Д.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Среди приоритетных токсикантов-загрязнителей природной среды одно из ведущих мест занимают тяжелые металлы.Неблагоприятное воздействие тяжелых металлов определяется их высокой токсичностью и способностью к аккумуляции в живых организмах.Источники техногенного рассеяния металлов многообразны, но одним основными являются техногенные потоки процессов открытой разработки месторождений.Как правило, площади таких потоков в десятки раз превышают площади горного отвода месторождения.Это определяет необходимость комплексного изучения особенностей геохимических и биологических изменений природных объектов: почв, растений, вод и ландшафтов в целом, оказывающихся в сфере воздействия техногенных источников загрязнения.

Имеющийся опыт показывает, что эффективное применение разного рода мероприятий по восстановлению нарушенных территорий перспективно лишь с учетом особенностей пространственной дифференциации геохимических и экологических характеристик объектов рекультивации. Актуальность проблемы обусловлена, таким образом, не только экологическими факторами, но и экономической целесообразностью. Учитывая, что месторождение "Каражыра" расположено на землях бывшего испытательного ядерного полигона, переданных в хозяйственное пользование, данные исследования актуальны и являются промежуточным этапом экологического мониторинга в районе углеразреза при переходе от разведочно-эксплуатационной стадии к промышленному освоению.

Связь темы диссертации с плановыми исследованиями

Представленная работа является составной частью тематического плана научных исследований кафедры специальных химических дисциплин Государственного университета "Семей" по теме "Изучение содержания и закономер-

ностей распределения тяжелых металлов при воздействии природных и техногенных факторов в условиях средней полосы Восточного Казахстана".Исследования по указанной теме проводятся с 1963 года. Научная новизна работы

Впервые получены сведения о содержании и формах соединений - марганца, свинца, цинка, меди, кадмия - в почвах и растениях района открытой угледобычи. На большом фактическом материале выявлены закономерности пространственного варьирования, корреляционная зависимость и характер статистического распределения тяжелых металлов в почвах и растениях загрязненных ландшафтов. Установлено, что участки рельефа, образованные воздействиями человека в виде отвалов вскрышных пород и карьерных выемок, существенно изменяют направление потока поллютантов. Впервые произведено картографирование изученной территории с позиций эффекта суммарного загрязнения тяжелыми металлами. Проведенные исследования позволили определить приемы, повышающие точность и достоверность картографирования распределения тяжелых металлов на территориях вблизи предприятий открытой угледобычи. Теоретическое значение работы

Полученные результаты о содержании и закономерностях пространственного распределения тяжелых металлов в основных компонентах угледобывающего производства(углях, техногенной пыли, вскрышных породах, откачиваемых на поверхность подземных водах), а также в почвах и растениях района угледобычи в зависимости от расстояния от углеразреза, преобладающих направлений ветра могут быть использованы для развития теоретических основ современной экологии. Практическая значимость работы

Выявленные закономерности накопления и пространственного распределения техногенных металлов в почвах, растениях и подземных водах служат состав-

ной частью биогеохимической характеристики объектов рекультивации и должны учитываться при установлении оптимальных границ саннтарно-защитной зоны углеразреза. Полученные данные использованы на предприятии "Семей комирлери" для расчетов величины понижающих коэффициентов при определении допустимых объемов размещения отходов производства (отвалов вскрышных пород), при составлении технических заданий. Реализация результатов исследовании

Результаты проведенных исследований использованы при составлении учебных программ лекционных курсов "Химическая экология", "Химия тяжелых металлов", "Экология и мониторинг окружающей среды", "Охрана природы", читаемых для студентов Государственного университета' "Семей" по специальностям "Химия", "Биология", "Экология и рациональное природопользование". На базе проведенных исследований студентами указанных специальностей выполнены 18 курсовых и 2 дипломные работы. Материалы исследований переданы угледобывающему предприятию "Семей комирлери" и используются в работе отдела "Охрана труда-и техники безопасности". Апробация работы

Материалы исследований были доложены на Международной научной конференции «Радиационная безопасность и социально-экологические проблемы Казахстана» (Караганда, 1997), на Международной научно-практической конференции «Аграрная наука на рубеже веков» (Акмола, 1997), Международной научно-теорет1гческой и научно-методической конференции «Наука и образование - 97» (Шымкент, 1997), Республиканской научно-практической конференции «Высшая школа: проблемы и перспективы развития» (Семипалатинск, 1997), Республиканской научно-методической конференции «Валихановские чтения - 3» (Кокшетау, 1996), Республиканской научно-технической конференции «Казахстан 2030: региональные проблемы научно-технического прогресса» (Усть-Каменогорск, 1998) , на Международной на-

учно-практической конференции «Экология и устойчивое развитие» (Петропавловск, 1998). Работа рассматривалась на заседании кафедры специальных химических дисциплин факультета естественных и точных наук Государственного университета «СЕМЕЙ» (1998). Публикация результатов исследований По теме диссертации опубликовано десять печатных работах. Декларация личного участия автора

Автор лично провел в 1991-93 гг. экспедиционное обследование территории района угольного месторождения «Каражыра», осуществил отбор образцов почв и растений на 74 площадях, заложенных для ежегодного контроля, отбор проб вскрышных пород, углей, угольной пыли, подземных вод. Все работы, связанные с лабораторной подготовкой образцов к элементному анализу, элементный анализ подвижных форм тяжелых металлов в почвенных образцах, анализ растительных образцов, определение содержания гумуса, «физической глины», рН почвенных растворов, математическая обработка цифровых материалов, интерпретация фактических данных, разработка компьютерных карт осуществлены автором самостоятельно.

В диссертации использованы работы, опубликованные в соавторстве. Доля личного участия автора в написании и подготовке этих публикаций составляет 75-90 %.

Основные положения ,выносимые на защиту

1. Установленные в результате проведенных исследований валовые содержания тяжелых металлов (Си, Мп, Ъл, РЬ, С(1 ) в почвенном покрове района угольного месторождения «Каражыра», в основных типах почв, содержание подвижных (кислоторастворимых, обменных, водорастворимых) форм тяжелых металлов в изученных типах почв.

2. Компьютерные карты пространственного распределения тяжелых металлов в почвенном покрове района угольного месторождения «Каражыра».

3. Загрязнение почвы техногенными элементами находится в прямой зависимости от интенсивности промышленной нагрузки.

4. Содержание тяжелых металлов в почве увеличивается с утяжелением механического состава и повышением гумусированности почв.

5. В профиле основных типов почв района месторождения «Каражыра» преобладает равномерно-аккумулятивный тип радиальной дифференциации тяжелых металлов.

6. Максимальной металлоаккумулирующей способностью в сравнении с покрытосеменными обладает доминант растительного покрова - лишайник вида РаппеЬ'а уадапБ.

7. Накопление тяжелых металлов в органах покрытосеменных растений характеризуется акропетальным типом распределения (от корней к листьям).

8. Способность к накоплению тяжелых металлов зависит от экоморфной принадлежности растений.

Объем и струстгура работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и практических рекомендаций.Работа содержит 196 страниц,27 рисунков и 50 таблиц.Список литературы включает 225 наименований,из них 41 на иностранных языках.

1.ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА (обзор литературного материала)

На основе обширного литературного материала (225 наименований) даны представления об источниках загрязнения экосистем тяжелыми металлами,о содержании тяжелых металлов в почах и преобразованиях .происходящих с ними в биосфере, о экологической специализации биоморфных и генотипиче-ских структур растений, о эколого-биохимических последствиях загрязнений тяжелыми металлами растений, о нормировании содержания тяжелых металлов в компонентах экосистем.

2.УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В районе месторождения "Каражыра" было отобрано 290 почвенных проб, взятых в зависимости от угольного разреза радиально по 8 маршрутным направлениям. Сопряженно с пробами почв осуществлен отбор растительных образцов 16 видов растений принадлежащих 8 семействам. Пробы почв и растений отбирались на 74 контрольных площадках, согласно стандартным ме-тодикам(ГОСТ 5681-84;ГОСТ 17.42.01.81 ;Ермохин и др.,1995;Методические рекомендации ... 1981;Рекомендации...1992.)

При отборе водных проб использовалась сеть скважин подземных вод в районе месторождения .переданных ГАО"Павлодаргидрогеология". В расчетах .представленных в работе .использованы анализы 351 пробы вскрышных пород, в том числе, по отвалам -51 проба, по карьеру - 38 проб, по скважинам -262 пробы и 46 проб рядового угля. Отбор произведен согласно стандартным методикам (ГОСТ 1Ю022-90;ГОСТ 10742-71 ¡Руководящие и норм, документы...1995).

Определение валового содержания тяжелых металлов в углях проводилось методом атомно-эмиссионной спектрометрии с применением дугового аргонового двухструйного плазмотрона ДГП-50. Чувствительность метода для определяемых элементов составила Zn - lxlO"5, Pb - 8xlO"5, Kin - 2x10"®, Си -lxlO"7, Cd - 1x10^.

Валовый состав вскрышных пород изучен при помощи спектрального количественного анализа на приборах ДФС-8 и ИСП-28.

Валовое содержание тяжелых металлов в почвах и анализ водных проб был осуществлен в испытательной лаборатории ЦЗЛ - ОТК АО "Алюминий Казахстана" аккредитованной в системе сертификации Республики Казахстан (аттестат № кк 64600 06.10.0210. зарегистрирован в Гос. Реестре системе сертификации Республики Казахстан 19 июля 1966 года) рентгеноспектральным и масс-спектрометрическим методом на приборах "Simultix-3530" и "VG

Plasma Quad 2 Turbo Plus".

Помимо содержания тяжелых металлов в почвах определяли содержание гумуса, величину рН, механический состав общепринятыми методами. (Временное методическое руководство...,1987)

Подвижные формы элементов - водорастворимая, кислоторастворимая и обменная - извлекались экстрагентами, соответственно - бидистилированной водой, 1н соляной кислотой, ацетатно-аммонийным буфером с рН 4,8.Указанные формы определялись химическим методом (Ринькис, 1963; Ринькис,1987). Определение тяжелых металлов в растениях проводилось после сухого озоления (Ринькис, 1963; Ринькис, 1972).Математическая обработка результатов проводилась общепринятыми методами (Дмитриев, 1972; Доспехов, 1975; Шостак,1978) с помощью пакетов прикладных программ SPSS и GeoGraf \GeoDraf for Windows -на персональном компьютере.Плановой основой для компьютерного картирования служила светокопия карты-схемы с изолиниями безразмерной суммарной концентрации пыли угольной+пыли породной+взвешенных веществ (проектное положение),изготовленная лабораторией Карагандагипрошахт.

2.1. Природные условия района исследований

На основании документального материала (38 отчетов по исследованию месторождения) составлена исчерпывающая характеристика изучаемого района. Даны географические, радиологические, литологические, метеорологические, экологические характеристики района месторождения. Представлены почвенная карта и карта растительности района месторождения, таблицы по метеорологическим сведениям и перспективам добычи углей.

2.2. Экологическая оценка основных компонентов угледобывающего производства

Изученные элементы в зависимости от содержания в углях образуют геохимический ряд Cu >Mo>Co>Zn=Ni=Cr>Pb=Sr>Mn

Приведенные данные по накоплению тяжелых металлов в углях отмечаются и в литературных данных(Юдович и др.,1985).Исходя из расчитанного объема при образовании отвала -7 млн.т, вычислено, что 1,9% угольной пыли подвергается уносу.

Показатели Кк элементов во вскрышных породах позволили выявит картину распределения тяжелых металлов. По уровню накопления во вскрыши тяжелые металлы образуют геохимический ряд: АБ>Сс1>Мо>%>2п>Со>Си=Сг=Мп>РЬ=№

Содержание тяжелых металлов в подземных водах Каражыринского месторождения по величине коэффициентов опасности колеблется от 0,05 до34,6.0бщая формула геохимической специализации подземных вод:

Ре 34,6 Мп 8,4 Сг7,3 5г4,7 Ъ3,2 РЬ 3,0 Аб 1,9 Сй 1,2 Можно заключить,что подземные воды месторождения обладают железисто-марганцевой специализацией.По величине коэффициента водной миграции тяжелые металлы образуют ряд:

Мп (1,6 ) >Си (0,2 )> гп (0,1 )> са (0,04 )>РЬ (0,0005 )

3. АККУМУЛЯЦИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕННОМ И РАСТИТЕЛЬНОМ ПОКРОВЕ РАЙОНА УГОЛЬНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ «КАРАЖЫРА»

3.1. Характерные особенности распределения тяжелых металлов в различных типах почв.

Особенностью химического состава почв является некоторое различие уровней содержания элементов в разных типах почв светло-каштановой подзоны, представленных на изучаемом участке: светло-каштановыми маломощными и среднемощными, солонцами, лугово-светло-каштановыми и луговыми светло-каштановыми.

Подсчет кларков концентрации (Кк) и кларков рассеяния(Кр) для изучаемых ю

почв показал, что эти почвы в целом обеднены комплексом изучаемых элементов. По сравнению с кларковым особенно снижено в них содержание Сс] (Кр = 3,1-16,6), РЬ (Кр = 1,1-1,3). Содержание Си несколько превышает клар-ковое - в 2-3,3 раза; содержание Ъа и Мп в данных почвах не превышает клар-ковое.

Несколько обогащены, в сравнении с другими типами, Мп, 7л\ и РЬ солонцы светло-каштановые.

Почвы района исследований характеризуются суглинистым и глинистым механическим составом. Содержание "физической" глины в солонцах несколько выше, чем в других типах - до 64,83 %.

Среднемощные и маломощные почвы находятся на территории участка, подвергшегося воздействию бывших водоотливов. Между тем известно, что при воздействии вод С<3 аккумулируется шчвой(Апс1ег50п, 1981; СЬапеу, 1984). Одним из наиболее активно концентрируемых элементов в районе месторождения является Си (Кк= 1,4).

Некоторое преимущественное накопление обнаруживается в лугово-светло-каштановых почвах.

Особенностью, дающей объяснение этой закономерности, является участок месторождения, характеризующийся почвами этого типа. Приурочены они к пониженным участкам слабоволнистой равнины в юго-восточном направлении от разреза. Этот участок подвергнут действию бывшего водоотлива и пород отвального грунта, в которых Си причисляется к элементам ассоциации загрязняющих веществ. Помимо этого, участок почв этого типа залегает небольшим выделом, близко прилегающим к разрезу. 3.2. Распределение тяжелых металлов по профилю почв. Характеристика тяжелых металлов по профилю почв имеет свои отличительные особенности, обусловленные как спецификой генезиса почв, так и геохимией изучаемых элементов.

п

Как видно из приведенных значений Кс, почвенные генетические горизонты солонцов образуют следующий геохимический ряд:

В,(14,7) < Вк(12,6) < А(10,2) < В2(10) < С(8,9) Содержание гумуса, способствующего по ряду данных (Глазовский, 1976; Рихванов и др., 1983) аккумз'ляции тяжелых металлов, в верхнем горизонте в солонцах невысокое и составляет 1,2-2,1 % (малогумусированные). Изучаемые элементы в профиле распределения указанных типов почв ведут себя неодинаково: марганец активно накапливается в верхнем горизонте (А) луговых светло-каштановых почв. Подобная закономерность прослеживается в луговых почвах для меди, кадмия, свинца, цинка.Медь аккумулируется в верхних горизонтах почвы, что отражает ее биоаккумуляцию, а также антропогенное влияние. Указанная особенность актуальна в том плане, что медь входит в ассоциацшо загрязняющих веществ углей и вскрышных пород. Общая по всем типам почв закономерность распределения 2х\ по генетическим горизонтам следующая:

А(3,2) < В,(2,7) < ВС (2,4) < В2(2,2) < С(1,9) Особенностью распределения в изучаемых типах почв является равномерное распределение Ъ\\ в горизонтах А и В).

Содержание Сс1 и РЬ в почвах участка очень низкое. Эти элементы встречаются в небольших количествах и подвергнуты рассеиванию в изучаемых типах почв. Картина геохимического распределения выглядит следующим образом: С±

ВС(0,4) < А(0,3) = В,(0,3) = В2(0,3) = С(0,3)

РЬ:

А(0,7) = В,(0,7) = В2(0,7) < ВС(0,6) = С(0,6) В данном случае трудно отделить данные характеризующие фоновые уровни РЬ и С(1 в почвах от данных, связанных с загрязнением поверхностного слоя почв.

3.3. Подвижные формы соединении тяжелых металлов в почвах. Проведенные нами исследования показали, что наибольшую мобильную часть элементов извлекает кислоторастворимая фракция (экстрагнет 1н НС1) - 14,6 %, далее обменная фракция (зкетрагент ацетатно-аммонийный буфер рН 4,8) -7,3 %, и менее всего водорастворимая - 0,7 %.

Проведенный корреляционный анализ показывает, что в изучаемых почвах наибольшую связь обнаруживают с рН формы соединений Мп.. Для характеристики подвижности при действии указанных экстрагентов на изучаемые тяжелые металлы, были выведены геохимические ряды. Для ки-слоторастворимой формы:

Мп < С<1 < РЬ < Си < 2п;

для обменной формы:

Мп < Сс1 < РЬ < Си < соотношение значений содержаний водорастворимой формы выглядит так:

Си < РЬ < 2п < С(1 < Мп.

3.4. Пространственное распределение тяжелых металлов в почвах района угольного месторождения.

Широкий диапазон встречаемых концентраций валовых форм тяжелых металлов (мг/кг) (РЬ - 4,0-14,1; Си - 12,2-177,0; 2п - 12,9-288,9; Сс1 - 0,02-0,41; Мп -418,6-1617,2) и увеличение с загрязнением почв вариабельности содержания в них металлов исключили возмоядаость использования для составления картосхем равномерные шкалы градаций, применение которых допускается при картографировании микроэлементов в почвах фоновых территорий . Распространение поллютантов в определенной степени соответствует "розе ветров". Наибольшая величина суммарного показателя загрязнения (10) характерна для северо-восточного (157,3) и юго-западного (134,7) направлений. По величинам суммарного загрязнения формы соединений изученных тяжелых металлов образуют следующие геохимические ряды в зависимости от направ-

лений от разреза по валовому содержанию:

СВ(33,9) > С(32,5) > В(22,5) > Ю(18,5) > С3(16,1) > Ю3(15,5) > ЮВ(9,7)): кислоторастворимая форма (экстрагент 1н НС1):

СВ(49,9) > С(43,3) > Ю3(25,7) > В(25,3) > С3(23,8) > Ю(23,8) > 3(16,1) > ЮВ(13,8);

обменная форма (экстрагент ацетатно-аммонийньш буфер СНзСООМН) с рН 4,8):

СВ(45,6) > С(32,1) > В(30,0) > ЮЗ(28Д) > Ю(26,8) > С3(24,2) > 3(19,4) > ЮВ(16,6);

водорастворимая форма:

Ю3(65,4) > ЮВ(42,9) > С3(32,1) > СВ(27,9) > 3(22,6) > В(17,8) > Ю(15,4). Большую роль в формировании воздушных потоков поллютантов играют процессы разубоживания пород и добычи углей. Не случайно, за исключением пунктов техногенного воздействия, вблизи разреза отмечены высокие концентрации приоритетных загрязнений углей и вскрышных пород - Ъп, Си, Сй. Характерной особенностью является то, что величина 2^ уменьшается с увеличением дальности от разреза, фактически по всем направлениям. Максимальной она является на расстоянии 100 м от разреза (2С = 11,9), минимальной - 2000 м = 6,0), за исключением северо-восточного направления. Подобный факт соотносится с данными, с которыми связана установка максимального содержание тяжелых металлов в почвах на расстоянии 1 - 5 км от источников загрязнения (ближняя зона). По мере удаления от источника содержание тяжелых металлов уменьшается с расстоянием и приближается к фоновому значению.

Учитывая небольшой срок эксплуатации разреза, отметим, что по общей градации 2С на территории месторождения величина сильного загрязнения отсутствует, а фоновые значения элементов обнаруживаются на дальности свыше 3-5 км от разреза.

3.5. Лихеноиидикация в районе исследовании загрязнения среды тяжелыми металлами.

Лишайник вида Parmelia vagans отличается высокой вариабельностью микроэлементного состава и обладает значительной способностью к аккумуляции тяжелых металлов, что вполне согласуется с литературными данны-ми(Золотарева, 1981; Перельман, 1989). Нужно отметить, что среди изучаемых металлов, по их способности накопления в лишайнике, согласно классификации (Полынов, 1945), Zn относится к элементам сильного накопления; Mn, Си, Cd и РЬ - элементам слабого накопления и среднего захвата. Обобщенный ряд биологического поглощения тяжелых металлов имеет вид:

Zn Си Pb Mn Cd 1,3 < 0,5 < 0,3 < 0,2 < ОД

По значению коэффициента накопления из почв тяжелых металлов, изучаемый лишайник характеризуется геохимическим рядом :

Zn < Pb < Cd < Си < Mn. Подобное распределение тяжелых металлов в лишайнике отражает закономерности их накопления, отмеченные для почв района Каражыры. Геохимический ряд накопления тяжелых металлов лишайником Pannelia vagans в зависимости от направления от разреза выглядит так:

С3(19,8 %) < СВ(13,6 %) < ЮВ(12,7 %) < Ю3(11,9 %) < < В(11,7 %) < С(11,2 %) < 3(9,7 %) < Ю(9,3 %).

3.6. Содержание тяжелых металлов в растениях, произрастающих в районе угольного месторождения в зависимости от их морфологических н систематических особенностей.

Содержание тяжелых металлов в природной растительности исследуемого региона колеблется в широких пределах (табл. 1 ).

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов в общей совокупности растений, произрастающих в районе месторождения «Каражыра» (п=206)

Элемент К„ М±т 5 V, % Средняя концентрация, мг/кг

в растительности суши (Добровольский, 1983) в растительности средней полосы Восточного Казахстана (Панин ,1987)

Марганец 4,0-101,2 29,0±1,7 24,1 83,1 205,0 43,9

Медь 0,4-27,3 4,0±0,2 2,84 70,4 8,0 4,7

Цинк 1,5-103,1 32,6±1,5 21,9 67,3 30,0 25,0

Кадмий следы-0,35 0,03±0,003 0,04 156,3 0,04 -

Свинец 0,07-4,1 1,1+0,08 1,09 98,2 1,3 -

В средних значениях содержание изучаемых элементов приближается к таковым в растительности суши и растительности средней полосы Восточного Казахстана. Низкое содержание марганца в растительности района исследований соответствует пониженному его значению в регионе(Панин, 1987). Приводя корреляционную зависимость между содержанием тяжелых металлов в растениях и слое почвы 0-20 см, соответствующему горизонту питания доминирующего травянистого покрова, было отмечено, что в зависимости от доступности растениям, формы соединений изучаемых элементов в почвах образуют геохимический ряд:

обменная (36,8%) > водорастворимая (31,7%) > кислоторастворимая (31,6%).

Из ряда интенсивности накопления следует, что в процентном отношении к

»

этой характеристике растения образуют следующее соотношение:

растения со слабые растения с по- растения с по- умеренные

средним на- > концентр > вышенным на- = ниженным на- > концентратор

коплением аторы коплением коплением ы

(38,7 %) (30 %) (17,5 %) (17,5 %) (6,2 %)

Изученные виды растений специфичны в накоплении двух-трех тяжелых металлов. Наиболее активным накоплением характеризуются растения семейства сложноцветные (полынь высокая) и семейства розоцветные (таволга город-чатая).

Растением с выраженным пониженным накоплением явилось растение семейства гречишных (горец птичий).

Таким образом, у некоторых видов растений района месторождения наблюдается отчетливо выраженная повидовая дифференциация в поглощении химических элементов - накопление или рассеяние их.

Коэффициент биологического поглощения (КБП), позволяющий косвенно судить о степени доступности элементов в почве для растений, у исследованных видов для Мп различался в 5 раз, для меди в 12,5 раза, для цинка в 10,1 раза, для кадмия в 7,7 раза и для свинца в 4 раза.

По доступности в почве изучаемые металлы образуют геохимический ряд: гп(55,2 %) > СсЗ(24.6 %) > РЬ(10,3 %) > Си(6,8 %) > Мп(3,1 %). Судя по рассчитанному коэффициенту корреляции между зольностью растений и содержанием в них тяжелых металлов , максимальную зависимость показывает содержание цинка (г = 0,30), что подтверждается высокой достоверностью приведенного значения и является свидетельством закономерности приведенных выше рядов накопления и поглощения элементов. Минимальное значение характерно для меди (г = 0,03) при его достоверности 0,4. Изменения зольности органов изученных растений имеет геохимический ряд:

корни < стебли < листья < цветки. Изменение величины зольности органов имеет акропетальный характер, то есть значения уменьшаются от корней к листьям.

3.7. Пространственное распределение тяжелых металлов в преобладающей растительности, расположенной вокруг угольного разреза.

Изучение общего содержание тяжелых металлов в растительности показало, что содержание элементов несколько уменьшается в зависимости от расстояния от разреза (табл.2).

Таблица 2

Содержание тяжелых металлов в совокупности растений в зависимости от расстояния от угольного разреза, мг/кг

Расстояние от разреза, м Мп Си гп Сё РЬ

100 49,6 4,1 39,4 0,05 1,7

граница СЗЗ 31,5 4,5 39,9 0,05 1,8

2000 и выше 27,1 3,8 35,5 0,04 0,7

Наибольшие значения обнаруживаются на расстояниях соответствующим границам СЗЗ. Обращает внимание тот факт, что вблизи разреза, в пределах небольших участков, связь между содержанием тяжелых металлов в растениях и почвах отсутствуют. Это может быть связано с возможно более высоким поступлением тяжелых металлов на растения в виде пылевых выбросов, что перекрывает поглощение металлов растениями из почв.

Факт взаимозависимости в содержании тяжелых металлов между растениями и почвами подтверждается фактами распределения элементов в зависимости направления от угольного разреза и «розы ветров».

По содержанию элементов в зависимости направления от угольного разреза обнаруживается следующая геохимическая закономерность:

СВ(21,4 %) > С(14,5 %) > 3(13,9 %) > В(12,5 %) > 103(10,7 %) > > С3(9,6 %) > Ю(9,1 %) > ЮВ(8,3 %). Подобная закономерность отмечается и в значениях КБП. Наибольшими значениями Мл характеризуется восточное направление, что может быть связано

с наличием здесь бывшего водоотлива. Как уже отмечалось для откачиваемых вод характерна марганцевая специализация.

Максимальное содержание Си отмечается в северо-восточном, юго-западном и северном направлениях, подобная закономерность характерна и для содержаний Ъл, Сс( и РЬ что согласовывается с розой ветров и наличием в северовосточном направлении от разреза породного отвала.

Отмеченные выше геохимические ряды ассоциаций загрязняющих веществ позволяют судить о наличии биогеохимической зависимости в содержании изученных металлов.

ВЫВОДЫ

1. Установлено валовое содержание и содержание подвижных форм (кислоторастворимой, обменной и водорастворимой) тяжелых металлов (Си,Мп,ги,РЬ,Сс1) в преобладающих типах почв района месторождения "Каражыра" на стадии перехода от разведочно-эксплуатационного к промышленному освоению территории.

Средние концентрации изученных тяжелых металлов в почвах не превышают ПДК, за исключением меди ( превышение вдвое больше допустимого).Изученные элементы по их содержанию в почве превышают фоновые значения: медь в 2,8 раза, цинк и марганец в 2,5 раза. Содержание свинца и кадмия находится в пределах ПДК и естественного фона.

2.В результате освоения угольного месторождения ( с 1996 г.) увеличилось содержание тяжелых металлов (Си,Мп,2п,РЬ,Сс1) в почвах и растениях, оказавшихся в сфере влияния техногенного воздействия. По мере удаления от угольного разреза концентрация тяжелых металлов в них уменьшается. Максимальная концентрация тяжелых металлов обнаруживается на расстоянии 100 м от угольного разреза, фоновые значения в почвах и растениях отмечаются на расстоянии 3-5 км (ближняя зона).

Основной вклад в загрязнение среды вносят приоритетные элементы, входящие в ассоциацию загрязняющих компонентов угледобывающего производства ,- цинк и медь.

3. Топографию загрязнения почв тяжелыми металлами, помимо скорости и частоты преобладающих воздушных потоков ("розы ветров"), в значительной степени определяют участки рельефа, образованные техногенными воздействиями человека.

Наиболее сложная картина свойственна для отвалов вскрышных пород, что обусловлено сдуванием техногенной пыли с поверхностей отвалов. Нахождение отвалов в северо-восточном направлении от угольного разреза обусловило преимущественное загрязнение почв и растений в этой части территории.

4. Под влиянием сброса откачиваемых из карьера подземных вод на рельеф горного отвода в восточном направлении на первом этапе разработки месторождения произошло некоторое обогащение почвенного покрова и пород будущей вскрыши преобладающим загрязнителем подземных вод - марганцем (Кс = 14,7).

5. Накопление тяжелых металлов (Си,Мп,2п,РЬ,С(1) растениями находится в тесной связи с количеством металлов в почвах. Подвижные формы соединений тяжелых металлов обнаруживают большую связь с их содержанием в растениях; по значению коэффициента корреляции наиболее доступной формой в почвах для растений является обменная, извлекаемая экстрагентом - ацетатно-аммонийным буфером - СНзСООМ^ рН 4,8.

Для изменение зольности морфологических органов растений характерен ак-ропетальный тип, то есть значения уменьшаются от корней к листьям.

6. Преимущественное накопление тяжелых металлов (Си,Мп,2п,РЬ,Сс1) происходит в напочвенном лишайнике РаппеПа уадаш - доминанте растительного

■ покрова в районе исследования, при этом максимальное значение коэффициента накопления характерно для цинка (Кс = 14,7), что подтверждает ведущую

роль данного элемента в загрязнении почв в районе месторождения. Повышенные концентрации цинка отмечены и в покрытосеменных растениях в прямой зависимости от величины зольности (г = 0,3).

Активными концентраторами тяжелых металлов (Си,Мп,2п,РЬ,Сс1) являются растения из семейства астровых и розоцветных, минимальное содержание данных элементов свойственно для растений из семейства гречишных. Наибольшая вариабельность содержания в изученных видах растений характерна для цинка и меди, наименьшая для кадмия.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Проведенные исследования топографии загрязнения почв тяжелыми металлами, миграции поллютантов и их участие в биологическом круговороте позволяют рекомендовать следующие мероприятия, уменьшающие неблагоприятные воздействия тяжелых металлов на объекты окружающей среды.

1. Для предотвращения сдувания пыли с поверхностей отвалов рекомендуется гидропосев многолетних трав с преобладанием видов из семейства астровых и розоцветных. При посеве целесообразно использовать воду, семена и латекс с опилками.

В целях пылеподавления в разрезе и на автодорогах следует использовать карьерные воды в количестве 170,4 м3/год.

Излишки карьерных вод в количестве 384,16 тыс. м3/год должны отводиться в изолированный пруд-испаритель, так как они имеют отрицательные химические свойства - повышенную минерализацию (до 35,5 г/л), высокий уровень содержания железа и марганца (34,5 ПДК и 8,4 ПДК соответственно), и их нельзя выпускать на рельеф земельного отвода, что приводит к засолению почв и обогащению их железом и марганцем.

2. Для предотвращения самовозгорания углистых пород формирование отвалов нужно осуществлять с изоляцией углистых пород на поверхности отвала

инертными породами.

3. До достижения проектной мощности разреза следует осуществлять технологический и биологический этапы рекультивации стационарного положения откосов первого яруса внешнего отвала площадью 10,7 га.

Также необходимо создать транспортную систему разработки с вывозом вскрыши во внутренний отвал. Это будет способствовать снижению запыленности атмосферы и сокращению дополнительных площадей земельного отвода.

4. Необходимо осуществлять мониторинг по оценке влияния отвального грунта, размещаемого на внешнем породном отвале, на почвы, растения, подземные воды, воздушную среду.

5. Поскольку территория угольного месторождения "Каражыра" находится на месте бывшего испытательного ядерного полигона необходимо вести мониторинг и исследования радиологической обстановки.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Панин М.С.,Воривохина Н.М.Особенности содержания и закономерности накопления тяжелых металлов в угле(на примере угольного месторождения "Каражыра " Восточно-Казахстанской области)//Геохимия,1998,№9.С.1-4.

2.Панин М.С.,Воривохина Н.М.Особенности содержания тяжелых металлов во вскрышных породах естественного залегания угольного месторождения "Каражыра"(Восточно-Казахстанская область)//Деп. в КазгосИНТИ 17.11.976,№7981-Ка97.

3.Панин М.С.,Воривохина Н.М.Особенности содержания тяжелых металлов в подземных водах района открытой угледобычи в зависимости от гидрогеологических условий и воздействия техногенных факторов(на примере угольного месторождения "Каражыра" Восточно-Казахстанской области)//Деп. в КазгосИНТИ 17.11.97,№7983-Ка 97.

4.Панин М.С.,Воривохина Н.М.Влияние микроэлементов на проростки яровой пшеницы "Саратовская -29" при внесении выветрелых углей в светло-каштановую почву//Деп. в КазгосИНТИ 17.11.97,№7982 -Ка-97.

5.Панин М.С.,Воривохина Н.М.Дифференциация тяжелых металлов при геохимическом сопряжении подземных вод со вскрышными породами //Вестник университета "Семей", 1998,№2.С.57-62.

6.Панин М.С.,Воривохина Н.М.Экологическая оценка состояния почв района открытой угледобычи на опытно-промышленном разрезе "Каражыра" с позиций содержания тяжелых металлов//Экология и устойчивое разви-тие:Тез.докл.Междунар.конф.Петропавловск,1998.С.91-92.

7.Панин М.С.,Воривохина Н.М. Особенности содержания тяжелых металлов во вскрышных породах естественного залегания угольного месторождения "Каражыра"(Семипалатинская область)//Наука и образование 97:Тез.докл.Междунар.кокфШьшкент,1997.С.334-336.

8. Особенности содержания тяжелых металлов в подземных водах района открытой угледобычи в зависимости от гидрогеологических условий и воздействия техногенных факторов(на примере угольного месторождения "Каражыра" ВКО)Высшая школа:проблемы и перспективы разви-тия:Тез.докл.Республик.конф.Семипалатинск, 1997.С. 132.

9.Панин М.С., Воривохина Н.М.Влияние выбросов автотранспорта на содержание свинца в системе "почва-растения'7/Валихановские чтения -3 :Тез. докл.Республик.конф. .Кокшетау, 1996 .С .18-20.

Ю.Панин М.С.,Воривохина Н.М.Особенности содержания и закономерности накопления тяжелых металлов в угле//Аграрная наука на рубеже ве-ков:Тез.докл.Междунар.конф.Акмола,1997.С.82-83.

Подписано к печати 17.09.98.Формат 60 х 841/16.0бъем 1,25 п.л. Бумага офсетная.Печатъ офсетная.Тираж 100 экз. Изд-во "Самарский университет", 443011, Самара, ул. Акад.Павлова, 1. УОП СамГУ, ПЛД № 67 - 43 от 19.02.98.