Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкологическая оценка распределения валовых форм тяжелых металлов в почвах Костромской области

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическая оценка распределения валовых форм тяжелых металлов в почвах Костромской области"



ЛЕБЕДЕВА ОЛЬГА ЮРЬЕВНА

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВАЛОВЫХ ФОРМ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТИ

Специальность: 25.00.36 - Геоэкология (Науки о Земле)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 2011

2 4 ОЕВ 2011

4856292

Работа выполнена на кафедре физической географии и природопользования Государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А.И. Герцена»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор химических наук, профессор Фрумин Григорий Тевелевич

доктор географических наук Егоров Александр Николаевич

доктор биологических наук, профессор Тарбаева Вероника Михайловна

Санкт-Петербургский государственный университет

Защита состоится «» февраля 2011 года в /0 часов на заседании Совета Д 212.199.26 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Российском государственном педагогическом университете им. А.И. Герцена по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48, корп. 12, ауд. № 21.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Российского государственного педагогического университета им. А.И.Герцена.

Автореферат разослан « » 2011 г.

И. П. Махова

ОБЩАЯ ХАР АКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационного исследования. В настоящее время известно более 10 млн. химических веществ (по некоторым оценкам около 15 млн.), из которых более 50 тыс. представляют опасность для человека, флоры и фауны. Среди многочисленных веществ, загрязняющих биосферу, тяжелые металлы (ТМ) рассматриваются как наиболее опасные, так как выделяются распространенностью, высокой токсичностью, а многие из них и способностью к накоплению в живых организмах. В определенных количествах они являются необходимыми микроэлементами для функционирования растений, животных и человека. С другой стороны, тяжёлые металлы и их соединения могут оказывать негативное воздействие на организм человека, способны накапливаться в тканях, вызывая ряд заболеваний. В связи с этим необходим постоянный систематический контроль за уровнем содержания ТМ в объектах окружающей среды.

Основными источниками загрязнения почв ТМ являются: их орошение водами с повышенным содержанием ТМ; внесение твердых осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения; вторичное загрязнение вследствие выноса металлов из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками; поступление больших количеств ТМ при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов, содержащих тяжелые металлы.

Избыток или недостаток тех или иных химических элементов приводит к формированию региональных геохимических аномалий, которые так или иначе воздействуют на растения, животных, человека, способствуя развитию эндемических заболеваний. В связи с изложенным всесторонний анализ распределения валовых форм тяжелых металлов в почвах любого региона представляет собой актуальную задачу. В данном отношении исследуемый регион является недостаточно изученным.

Объект исследования - тяжелые металлы в почвах Костромской области.

Предметом исследования является оценка загрязненности тяжелыми металлами почвенного покрова, как депонирующей среды.

Цель диссертационного исследования - выявление особенностей распределения и оценка содержания валовых форм тяжелых металлов в почвенном покрове субъекта РФ, а также установление взаимосвязи между содержанием валовых форм тяжелых металлов в почвах и эндемическими заболеваниями населения.

Для достижения поставленной цепи было необходимо решить следующие задачи:

- обследовать почвы (отобрать их пробы и провести инструментальное определение в них содержания тяжелых металлов);

- обосновать условно фоновый район области по содержанию тяжелых металлов;

- провести сравнительную оценку загрязненности почв различных районов субъекта РФ по содержанию тяжелых металлов;

- выявить приоритетные загрязняющие металлы в почвах различных территорий;

- выявить количественные соотношения между содержанием тяжелых металлов в почвах и их кларками;

- разработать алгоритм прогнозирования содержания тяжелых металлов в почвах;

- провести сравнительную оценку заболеваемости населения в корреляционной связи с содержанием тяжелых металлов в почвах (наличие или отсутствие эндемических заболеваний).

Защищаемые положения:

- идентификация условно фонового района по содержанию тяжелых металлов в почвенном покрове с учетом минимальной величины коэффициента антропогенного воздействия;

- алгоритм прогнозирования содержания тяжелых металлов в почвах, базирующийся на математико-статистической обработке количественных соотношений между содержанием тяжелых металлов в почвах и их кларками;

- особенности содержания и распределения тяжелых металлов в почвах исследуемого региона.

Научная новизна работы:

- разработан алгоритм прогнозирования содержания тяжелых металлов в почвах;

- установлено, что, в соответствии с правилом Оддо-Гаркинса, содержание четных химических элементов в почвах исследуемой территории выше, чем содержание соседних нечетных химических элементов;

- выявлены статистически значимые количественные соотношения между содержанием тяжелых металлов в почвах обследованных районов Костромской области и заболеванием населения.

Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается в разработке алгоритма прогнозирования содержания металлов в почвах. Выявленные аналитические зависимости между содержанием металлов в почвах и их кларками могут быть использованы

для прогнозирования содержания тех металлов, для которых определения не проводились.

Практическая значимость. Выявленные особенности распределения и содержания тяжелых металлов в почвах важны для оценки степени изменения геоэкологической ситуации рассматриваемого региона. Данные исследования позволяют судить о состоянии почвенного покрова области. Материалы исследования могут быть использованы для мониторинга почв.

Достоверность научных положений и выводов обусловлена критическим анализом большого количества литературных источников, аналитическими материалами, полученными на современном сертифицированном оборудовании и применением современных методов математико-статистической обработки данных.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на: Межвузовской конференции ЬХ1 Герценовские чтения «География и смежные науки» (РГГПУ им. Герцена, Санкт-Петербург, 24-28 апреля 2008 г.), Всероссийской конференции с международным участием «Водные и наземные экосистемы: проблемы и перспективы исследований» (Вологодский государственный педагогический университет, Вологда, 24 - 28 ноября 2008г.), Всероссийской научно-методической конференции ЬХП Герценовские чтения «География: проблемы науки и образования» (РГГПУ им. Герцена, Санкт-Петербург, 2009г.); IX Международном семинаре «Геология, геоэкология, эволюционная география (РГГПУ им. Герцена, Санкт-Петербург, 9-10 апреля 2009г.); Ежегодной Всероссийской научно-методической конференции с международным участием ЬХШ Герценовские чтения «География: наука и образование» (РГГПУ им. Герцена, Санкт-Петербург, 22-24 апреля 2010г.), научных семинарах кафедры физической географии и природопользования РГПУ им. Герцена (2008-2010 гг.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, приложения. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста, включает 49 таблиц, 55 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 112 публикаций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цель и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые

на защиту, показана научная новизна и практическая значимость проведенного исследования.

В первой главе «Физико-географическая характеристика Костромской области» приводится физико-географическое описание региона исследования. Костромская область расположена в центральной части Восточно-Европейской равнины. Рельеф исследуемой территории представлен плоской холмистой равниной, расчлененной многочисленными речными долинами. Современный рельеф области сформировался в основном в четвертичный период, важнейшими событиями которого были мощные четвертичные оледенения. Минералогический состав коренных пород и четвертичных отложений оказывает существенное влияние на содержание различных тяжелых металлов в почвах исследуемой территории.

Климат области умеренно-континентальный. Костромская область относится к зоне оптимального увлажнения, север области - к зоне избыточного увлажнения, где количество выпадающих осадков за год превышает годовую величину испарения.

Костромская область расположена в зоне дерново-подзолистых почв. Материнскими породами в большинстве случаев являются ледниковые, водно-ледниковые и древнеаллювиальные отложения. По степени проявления дернового и подзолистого процессов дерново-подзолистые почвы подразделяются на дерново-слабоподзолистые, дерново-среднеподзолистые и дерново-сильноподзолистые почвы. Дерново-слабоподзолистые почвы занимают возвышенные части междуречий и верхние части склонов. Большого распространения они не имеют. Дерново-среднеподзолистые почвы приурочены к склоновым поверхностям холмов, котловин, лощин и речных долин. Эти почвы являются наиболее распространенными в пределах области. Дерново-сильноподзолистые почвы занимают плоские элементы рельефа с хорошим дренажем.

Территория области составляет 60 тыс. км2 и делится на 24 административных района (рис. 1.).

Рис. 1. Административная карта-схема Костромской области

Во второй главе «Материалы и методы исследования» рассмотрен комплекс методов полевых и аналитических исследований, использованных в работе для определения содержания и распределения валовых форм тяжелых металлов в почве. Основу исследования составили собственные данные, полученные в результате отбора проб почв и химико-аналитического определения содержания в них 12 химических элементов (титан, хром, железо, ванадий, кобальт, мышьяк, свинец, никель, стронций, марганец, медь, цинк). Образцы почв отбирались с различных участков 10 районов Костромской области: Антро-повского, Буйского, Галичского, Костромского, Красносельского, Не-рехтского, Островского, Судиславского, Сусанинского, Чухломского. Всего было отобрано и проанализировано 300 образцов почв. Содержание элементов в пробах было определено рентгенофлюоресцентным методом с помощью прибора СПЕКТРОСКАН МАКС.

В исследовании были использованы данные о содержании тяжелых металлов в клубнях картофеля с территории Судиславского района Костромской области (определения проводились Испытательной лабораторией продуктов питания и объектов окружающей среды «АНАЛЭКТ»),

Для математико-статистической обработки данных были использованы пакет статистических программ Statistica 5.5., табличный процессор Microsoft Excel.

В третьей главе «Коэффициенты аитропогенного давления на территории» рассматривается вопрос антропогенного воздейст-

вия на экосистемы. За интегральный показатель антропогенного воздействия (или давления) на экосистемы, а также роли хозяйственной деятельности в их разрушении может быть принят коэффициент антропогенного давления (К) (Кондратьев К.Я., 1996; Котляков В.М., 1995), который рассчитывается следующим образом:

Энергопотребление на единицу ^_ территории в данной стране Среднемировое энергопотребление

В ранее опубликованных работах (Фрумин Г.Т., 1999) предпринимались попытки установить связь между коэффициентами антропогенного давления и плотностью населения. При этом была установлена статистически значимая положительная корреляция (коэффициент корреляции составил 0,96), а также рассчитано соответствующее уравнение регрессии. В результате проведенных исследований (Фрумин Г.Т., 1999; Образцова А.Б., 2004) была выявлена следующая регрессионная зависимость:

= 0,19 + 0,93-^ПН*, (2)

после преобразований:

К= 1,55-(ПН*)0 93 , (3)

Для расчетов величин коэффициентов антропогенного давления на территории различных районов Костромской области были использованы данные о площади районов и количестве населения. По этим данным и формуле (3) были рассчитаны величины К. Среди обследованных нами районов наибольшее значение К установлено для Костромского района (К - 5,25), а наименьшие значения - для Антро-повского и Чухломского районов (К - 0,23). В этой связи и в первом приближении минимальные из определенных величин содержания металлов в почвах Чухломского района можно рассматривать как «условно фоновые» содержания (концентрации). Коэффициент антропогенного давления (К) используется нами лишь в качестве первого приближения для оценки антропогенного воздействия на территорию, так как он учитывает лишь один показатель (плотность населения) и не учитывает структуру промышленности на рассматриваемой территории. Следует учесть также, что антропогенное воздействие на территории складывается из выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, сбросами в водные объекты и накоплением в почвах.

0.26 -3 | \ -I

■ о.й|:

■ 0.Е4"

\ Т 77 ' . I—' р

1-- '

Рис. 2. Распределение коэффициентов антропогенного давления по территориям районов Костромской области

Четвертая глава «Содержание химических элементов в почвах Костромской области» посвящена рассмотрению распределения валовых форм тяжелых металлов в почвах западных районов области. На первом этапе исследования методом рентгенофлюоресцентного анализа было определено содержание валовых форм двенадцати следующих металлов: титана ("Л), ванадия (V), хрома (Сг), марганца (Мп), железа (Ре), кобальта (Со), никеля (№), меди (Си), цинка (2п), стронция (Бг), свинца (РЬ) и мышьяка (Ав). На втором этапе результаты химико-аналитических определений были подвергнуты математико-статистической обработке, в результате которой были определены минимальное (Смин ), среднее (ССр.) и максимальное (Смдкс.) содержание, стандартная ошибка (ш) и стандартное отклонение (а), медиана (Ме). Обобщенные данные о содержании металлов в почвах различных районов Костромской области, использовались для поиска количественных соотношений между средним содержанием валовых форм металлов и их кларками.

Для оценки уровня загрязненности почв использовали суммарный показатель загрязнения 2с, рассчитываемый по следующей формуле:

2с = 1КС - Сф)/Сф], (4)

где - реальное содержание загрязняющего вещества в почве, Сф -фоновое содержание.

Таблица 2.

Суммарный показатель загрязнения почв Костромской области и при-

0 штетные загрязняющие вещества

Район Ъс Приоритета ые загрязняющ ие вещества Район Ъс Приоритетны е загрязнякмци е вещества

Антропов ский 10,2 Мп, Си, Ъп, РЬ Красносель ский 18,2 П, V, Мп, Си, 2п, РЬ, Аэ

Костроме кой 11,5 Мп, Си, Ъп, РЬ Сусанински й 18,6 и V, Мп, Си, гп, РЬ, Ав

Чухломск ой 16,4 Т1, V, Мп, Си, Ъп, РЬ, Ав Галичский 19,2 Л, V, Мп, Си, гп, РЬ, Аб

Нерехтски й 16,8 И, V, Мп, Си, гп, рь Буйский 20,3 Т1, V, Мп, N1, Си, гп, Бг, РЬ, Ав

Остров ски й 17,7 П, V, Мп, Си, Ъп., Бг, РЬ, Ав С удиславск ий 21,3 п V, Мп, №, Си, гп, Бг, РЬ, Ав

Опасность загрязненности почв по суммарному показателю определяли в соответствии со шкалой, приведенной в таблице 3.

Таблица 3.

Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязненности почв по

Ъс

Категория загрязненности почв Ъс Категория загрязненности почв Ъс

Допустимая < 16 Опасная 32128

Умеренно опасная 16-32 Чрезвычайно опасная > 128

По уровню загрязненности почв исследованных районов они могут быть ранжированы следующим образом:

Судиславский > Буйский > Галичский > Сусанинсюий > Красносельский > Островский > Нерехтский > Чухломской > Костромской > Ан-троповский

Как следует из данных, приведенных в таблицах 2 и 3, почвы Антро-иовского и Костромского районов характеризуются допустимой категорией загрязнения, а почвы остальных исследованных районов - умеренной опасной категорией загрязнения.

Для выявления приоритетных (наиболее значимых) металлов, загрязняющих почвы, были рассчитаны коэффициенты концентрации (Кс), определяемые отношением реального содержания металла в почве к его фоновой концентрации: Кс= СУСф (5) В перечень приоритетных металлов были включены те металлы, для которых Кс > 2. (табл. 2.). Обращает на себя внимание тот факт, что для почв всех исследованных районов приоритетными загрязняющими веществами являются соединения цинка (I класс опасности), свинца (I класс опасности), меди (И класс опасности) и марганца (III класс опасности). Результаты анализов были сопоставлены с кларками почв (табл. 4). В результате были выявлены статистически значимые регрессионные уравнения между десятичными логарифмами содержания металлов [Ме] и их кларками [кларк] (табл. 5, рис. 3).

Таблица 4.

Среднемировые кларки металлов в почвах (Войткевич и др., 1970)

Металл Кларк, мг/кг Мегалл Кларк, мг/кг Металл Кларк, мг/кг

Титан 4600 Железо 38000 Цинк 50

Ванадий 100 Кобальт 10 Стронций 300

Хром 200 Никель 40 Свинец 10

Марганец 850 Медь 20 Мышьяк 5

Таблица 5.

Количественные соотношения между средним валовым содержанием металлов в некоторых районах Костромской области и их кларками

Район Аналитическое выражение r2 OY(X) FP Fp/Fr

Антроповский lg[Me] = 0,038 + 0,870-lg[oapK] 0,930 0,292 132,8 27,4

Буйский lg[Me] = 0,195 + 0,882-lg[icnapK] 0,958 0,225 229,8 47,5

Галичский lg[Me] =-- 0,196 + 0,884-lgfraaps] 0,970 0,190 323,8 66,9

Костромской lg[Me] = 0,086 + 0,866-lg[soiapK] 0,938 0,271 151,2 31,2

Красносельский lg[Me] == 0,166 + 0,88Mg[naiapK] 0,958 0,226 227,5 47,0

продолжение таблицы 5.

Нерехтский ^[Ме] - 0,095 + 0,90Ыя[кларк] 0,941 0,276 159,2 32,9

Островский 1§[Ме] = 0,226 + 0,871 ^[кларк] 0,951 0,242 192,5 39,8

Судиславский 1я[Ме] = 0,218 + 0,876-1д[кларк] 0,959 0,220 236,0 48,8

Сусанинский ^[Ме] = 0,148 + 0,895-^[клар к] 0,961 0,220 246,1 50,8

Чухломской ^[Ме] = 0,087 + 0,907-^[кпарк] 0,956 0,236 219,8 45,4

Примечание, г2 - коэффициент детерминации, стущ - стандартная ошибка, РР - расчетное значение критерия Фишера, Рт - табличное значение критерия Фишера для уровня значимости 95%.

1д[кларк]

Рис. 3. Зависимость содержания валовых форм металлов в почвах Чухломского района Костромской области от их кларков в почвах

Приведенные в таблице 5 статистические характеристики свидетельствуют о том, что выявленные количественные соотношения между содержанием металлов в почвах Костромской области и их кларками характеризуются тесной корреляционной связью (объяснимая доля разброса г2 варьирует от 0,930 до 0,970). Более того, расчетные значения критерия Фишера (Бр) существенно превышают таблич-

ное значение Рт = 4,18 для уровня значимости 95%. Это означает, что всс вышеприведенные аналитические зависимости могут быть использованы для прогнозирования содержания в почвах исследованных районов Костромской области тех металлов, для которых такие определения не проводились.

Для иллюстрации этого тезиса в таблице 6 приведены результаты прогноза содержания кадмия в почвах некоторых районов Костромской области. Для расчетов было использовано значение кларка кадмия, равное 0,06 мг/кг. Прогнозируемые величины содержания кадмия были сопоставлены с фактически определенными (опытными) величинами. Определение фактического содержания валовых форм кадмия было проведено в независимой лаборатории ЦЛАТИ (Центр лабораторного анализа и технических измерений по Северо-Западному федеральному округу) и Федеральном государственном учреждении государственной станцией агрохимической службы «Костромская» (ФГУ «Костромская»), Как следует из данных, приведенных в таблице 6, расхождение между прогнозируемыми величинами и фактическим содержанием валовых форм кадмия можно рассматривать как вполне удовлетворительное. Действительно, прогнозируемое содержание кадмия, как правило, располагается между данными ЦЛАТИ и ФГУ «Костромская». Несколько ниже прогнозируемые величины для почв Сусанинского и Чухломского районов.

Таблица 6.

Прогнозируемое и фактическое содержание валовых форм кадмия в

некоторых районах Костромской области

Район Прогноз, ЦЛАТИ, ФГУ «Костромская»,

мг/кг мг/кг мг/кг

Галичский 0,13 0,20 0,25

Костромской 0,106 0,071 0,16

Островский 0,15 0,099 0,20

Судиславский 0,14 0,13 0,23

Сусанинский 0,11 0,15 0,21

Чухломской 0,095 0,122 0,31

Разработанный нами алгоритм прогнозирования содержания металлов в почвах состоит из пяти этапов (рис. 4).

На первом этапе проводится анализ необходимого для исследований количества проб.

На втором этапе проводится инструментальное (физико-химическое) определение содержания в отобранных пробах не менее пяти различных металлов.

На третьем этапе строится однопараметрическая линейная математическая модель, связывающая содержание проанализированных металлов с их кларками в почве вида

^[Ме] = а + кларк], (6)

где [Ме] - содержание металла в мг/кг, кларк - ютарк данного металла в почве в мг/кг.

На четвертом этапе проводится математико-статистический анализ модели на ее адекватность и прогностическую способность. Если расчетное значение критерия Фишера (РР) больше, чем табличное значение при уровне значимости 95% (Рт), то модель адекватна. Если же Рр > 4РТ, то модель может быть использована для прогнозирования содержания тех металлов в почве обследованного района, содержания которых не были включены в модель.

На пятом этапе проводится прогнозирование содержания в обследованной почве тех металлов, которые представляют интерес для целей исследования. Для этих целей используется модель (6) или после преобразований

[Ме] = <3й[кларк]ь, (7)

где ао — Юа.

Этап 1. Отбор репрезентативного (представительного) количества проб почв на обследуемой территории. ■ ■ ■ ■ /

а ■ а ■ Этап 2. Инструментальное (физико-химическое) определение содержания не менее пяти металлов в отобранных пробах. ■ ■ ш ■ ■

■ ■ ■ ■ Этап 3. Построение математической модели, связывающей содержание металлов с клаоками металлов в почве. 1 * ■ ■ ■ ■ ■ 1

ш ■ ■ ■ Этап 4. Математико-статистический анализ модели на адекватность и прогностическую способность. . и я я я

..........................4_________________________

Этап 5. Прогнозирование содержания металлов, не включенных в модель, в почвах обследованной территории. я я я я я

Рис. 4. Алгоритм прогнозирования содержания металлов в почвах

Таблица 7.

Порядковые номера в периодической таблице Д.И. Менделеева и среднее содержание тяжелых металлов в почвах обследованных районов _Костромской области_

Металл Порядковый но- Среднее содержа- ЫМе]

мер, Ъъ ние, [Ме]п, мг/кг

Скандий 21 7,87* 0,896

Титан 22 4423,1 3,646

Ванадий 23 62,4 1,795

Хром 24 72,63 1,861

Марганец 25 645,2 2,810

Железо 26 18398,8 4,265

Кобальт 27 15,63 1,194

Никель 28 23,39 1,369

Медь 29 23,23 1,366

Цинк 30 48,40 1,685

Примечание. *Содержание скандия в почвах обследованных районов было рассчитано по моделям, приведенным в таблице 5. Результаты расчетов были усреднены.

Чтобы составить мнение о реальном распределении тяжелых металлов в почвах Костромской области, была предпринята попытка собрать воедино результаты анализов содержания тяжелых металлов в почвах исследованных районов. Результаты анализа представлены в таблице 7 и на рисунке 5.

Как следует из приведенных данных (табл.7 и рис.5), среднее по обследованной территории содержание валовых форм тяжелых металлов, имеющих четное значение порядкового номера, больше, чем содержание валовых форм тяжелых металлов у рядом стоящих в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Аналогичный результат зафиксирован и для территорий отдельных районов Костромской области вне зависимости от уровней их загрязненности тяжелыми металлами (величин Хс от 10,2 для Антроповского района до 21,3 для Судиславского района). Таким образом, распределение тяжелых металлов в почвах различных районов Костромской области подчиняется правилу Оддо-Гаркинса.

|д[Ме„] 5 4

3

2

1

О

Рис. 5. Распределение среднего валового содержания тяжелых металлов в почвах обследованных районов Костромской области в зависимости от их порядкового номера в периодической системе элементов

Д.И. Менделеева

Пятая глава «Содержание металлов в почвах Костромской области и заболеваемость населения» посвящена выявлению зависимости между заболеваемостью населения и содержанием тяжелых металлов в почвах исследуемой территории. Сопоставление нормативных величин содержания металлов в почвах, не приводящих к эндемическим заболеваниям, с величинами содержания ТМ в обследованных районах Костромской области приводит к выводу о том, что вероятность эндемической заболеваемости населения области близка к нулевой (табл. 8).

Таблица 8.

Сопоставление пороговых и фактических концентраций некоторых

металлов в почвах Костромской области, мг/кг

Металл Норма Среднее Минимальное Максимальное

значение значение значение

Кобальт 7-30 15,6 13,4 16,7

Медь 15-60 23,2 16,5 28,9

Марганец 4003000 645 495 795

Цинк 30-70 J 48,4 35,8 57,5

Стронций ?-600 93,4 60,9 114,2

Для поиска количественных соотношений между общей заболеваемостью населения Костромской области и содержанием металлов в почвах области были использованы данные об общей заболеваемости по классам Международной классификации болезней (МКБ-10) по территории области и величины суммарного показателя загрязнения Ъс Выявленная зависимость описывается следующим регрессионным уравнением:

Заболеваемость (на 1000 человек) = 35,9 - 1,35-2С (8)

Заметная (по Чеддоку) теснота связи была выявлена между величинами Ъс и болезнями глаза и его придаточного аппарата:

Заболеваемость (на 1000 человек) = -4,61 + 6,13-2^ (9)

п= 10; г = 0,66; г2 = 0,44; стУ(х) = 26,4; = 6,25; Рт = 5,12; БР/ Бт = 1,22

Зависимость (6) иллюстрируется рисунком 6.

10 12 14 16 18 20 22 2с

Рис. 6. Зависимость болезни глаза и его придаточного аппарата (на 1000 жителей Костромской области) от величин суммарного показателя загрязненности почв

Кроме изложенного, была предпринята попытка выявить количественные соотношения между заболеванием населения Костромской области и содержанием в почвах области отдельных ТМ. В результате проведенного анализа была выявлена высокая (по Чеддоку) теснота связи между некоторыми заболеваниями и содержанием в почвах области свинца, мышьяка, титана, железа, никеля, цинка, стронция и кобальта (табл. 9). Аналитические выражения для выявленных уравнений регрессии приведены в таблице 10.

Таблица 9.

Зависимость общей заболеваемости по классам МКБ-10 по территории Костромской области от содержания отдельных металлов в почвах

Класс заболеваемости Т1 Ре № Ъл Бг РЬ Ав Со

Болезни крови и кроветворных органов + + + + +

Болезни органов пищеварения - - - - - - - +

Болезни системы кровообращения - - - - - - - +

Болезни органов дыхания + - - - - - - -

Болезни глаза и его придаточного аппарата + +

Примечание. «+» означает наличие высокой тесноты связи, «-» - отсутствие высокой тесноты связи

Таблица 10.

Уравнения регрессии между общей заболеваемостью населения обследованных районов Костромской области (на 1000 человек) и содержа-

нием металлов в почвах

Класс заболеваемости Уравнение регрессии

Болезни крови и кроветворных органов Заболеваемость = 47,10 - 0,008[Т1] п = 10; г = 0,77; г2 = 0,59; аУ(Х) = 4,36; Рр/Тт = 2,3

Заболеваемость = 37,51 - 0,0013-[Ре] п = 10; г = 0,75; г2 = 0,56; стУ(Х) = 4,54; Рр/Тт = 2,0

Заболеваемость = 38,03 - 1,076 [№] п = 10; г = 0,77; г2 = 0,59; стУ(Х) = 4,35; Рр/Тт = 2,3

Заболеваемость = 52,97 - 0,828-[2п] п = 10; г = 0,81; г2 = 0,66; стУ(Х) = 4,01; Рр/РТ = 3,0

Заболеваемость = 34,43 - 0,231-[8г] п = 10; г = 0,71; г2 = 0,50; оуро = 4,83; Рр^Т = 1,6

продолжение таблицы 10.

Болезни органов пищеварения Заболеваемость = 502,3 - 26,3 [Со] п = 10; г = 0,82; г2 = 0,67; оУ(Х) = 19,8; Fp/Fr = 3,2

Болезни системы кровообращения Заболеваемость = 1189,2 - 62,9[Со] п = 10; г = 0,79; г2 = 0,62; aY(X) = 52,8; Fp/Fr = 2,6

Болезни органов дыхания Заболеваемость = -207,2 + 0,l2[Ti] n = 10; г = 0,70; г2 = 0,50; aY(X) = 85,4; Fp/Fr = 1,5

Болезни глаза и его придаточного аппарата Заболеваемость = -98,15 + 7,83-fPb] n = 10; г = 0,71; г2 = 0,51; aY(X> = 24,7; FP/FT= 1,6

Заболеваемость = 21,20 + 16,56[As] n = 10; г = 0,72; г2 = 0,51; аУ(Х) = 24,6; Fp/Fj = 1,6

Как следует из приведенных статистических характеристик, все уравнения регрессии адекватны (Рр/Рт > 1). Вместе с тем, обращает на себя внимание тот факт, что болезни крови и кроветворных органов, болезни органов пищеварения и болезни системы кровообращения характеризуются обратной связью с содержанием металлов в почве. Иными словами, чем больше содержание данного металла в почве, тем меньше соответствующие уровни заболеваемости. Для объяснения этого феномена необходима постановка специальных исследований. Цель таких исследований - выявление факторов, которые не были учтены при построении вышеприведенных моделей. О наличии таких факторов, свидетельствуют, в часгности величины коэффициентов детерминации (г2), варьирующие от 0,50 до 0,67. Действительно, если величины концентраций металлов в почвах [Ме] = 0, то свободные члены в вышеприведенных уравнениях регрессии характеризуют фоновый уровень заболеваемости, то есть уровень заболеваемости, не зависящий от содержания рассматриваемого металла в почве.

Среди продуктов питания, составляющих основу продовольственного рынка России, картофель занимает особое место, его справедливо называют вторым хлебом. Сбор и потребление картофеля населением Костромской области весьма значительное, что и обусловливает необходимость определения содержания в клубнях картофеля тяжелых металлов. По результатам проведенных анализов нами были рассчита-

ны величины коэффициентов биологического поглощения КБП (табл.11).

Данные, приведенные в таблице 11, свидетельствуют о следующем:

- содержание металлов в клубнях картофеля, выращенного на полях Судиславского района Костромской области, не превышает содержание, предписываемое нормативным документом (НД). Иными словами, этот картофель не представляет опасности (риска) и является экологически безопасным для населения района;

- при сопоставлении содержания ТМ в клубнях картофеля Костромской области с величинами ЦЦК в основных группах пищевых продуктов (Опекунов А.Ю., 2001) установлено отсутствие превышения ПДК (табл. 12).

Таблица 11.

Коэффициенты биологического накопления валовых форм тяжелых металлов в клубнях картофеля Судиславского района Костромской

области

Металл [Ме]почва, мг/кг [Ме] картофель» мг/кг КБП Норма по нд

Титан 4734 0,057 0,000012 -

Свинец 28,6 <0,002 <0,00007 0,5

Ванадий 71,2 0,025 0,00035 -

Хром 52,8 0,033 0,00063 0,50

Кобальт 15,4 0,013 0,00084

Никель 27,5 0,024 0,00087 0,70

Стронций 114,2 0,30 0,0026 7,0

Мышьяк 6,67 0,025 0,0037 0,2

Марганец 114,2 0,82 0,0072 -

Кадмий 0,13 0,0028 0,0215 0,05

Медь 28,9 1,2 0,0415 5,00

Цинк 52,8 3,2 0,0606 70

Таблица 12.

Металл ! ПДК, мг/кг [Ме]карТ0фель, мг/кг Металл ПДК, мг/кг [Ме]картофель, мг/кг

Хром 0,2 0,025 Никель 0,5 0,219

Железо 50 6,91 Медь 10 0,924

Мышьяк 0,2 0,023 Цинк 10 7,71

Свинец 0,5 0,219 Кадмий 0,03 0,034

В заключении сформулированы основные выводы, полученные в результате исследования.

1. Коэффициент антропогенного давления К представляет собой некоторый индекс, комплексно учитывающий антропогенное воздействие на различные территории. Среди обследованных районов Костромской области наибольшее значение К установлено для Костромского района (К = 5,25), а наименьшие значения - для Антроповского и Чухломского районов (К = 0,23). В этой связи и в первом приближении минимальные из определенных величин концентраций металлов в почвах Чухломского района можно рассматривать как «условно фоновые» концентрации.

2. По величинам суммарного показателя загрязненности почв (2с) исследованные районы ранжируются следующим образом: Судиславский (7^=2 ] ,3) > Буйский (2С=20,У) > Галичский (гс=19,2) > Сусанинский (20=18,6) > Красносельский (2;= 18,2) > Островский {2^=11,1) > Не-рехтский (2С=16,8) > Чухломской (2с=16,4) > Костромской (гс=11,5) > Антроповский (2^=10,2). Почвы Антроповского и Костромского районов характеризуются допустимой категорией загрязнения, а почвы остальных исследованных районов — умеренной опасной категорией загрязнения.

3. Для почв всех исследованных районов приоритетными загрязняющими веществами являются соединения цинка (I класс опасности), свинца (I класс опасности), меди (II класс опасности) и марганца (III класс опасности).

4. Содержание тяжелых металлов в почвах 10 обследованных районов Костромской области связано тесной корреляционной зависимостью с кларками металлов в почвах (объяснимая доля разброса г2 варьирует от 0,930 до 0,970). Выявленные аналитические зависимости могут быть использованы для прогнозирования содержания в почвах исследованных районов Костромской области тех металлов, для которых такие определения не проводились.

5. Распределение тяжелых металлов в почвах различных районов Костромской области подчиняется правилу Отто-Гаркинса, Это означает, что в почвах различных районов Костромской области содержание четных химических элементов выше, чем содержание соседних нечетных элементов.

6. Микроэлементный статус клубней картофеля Судиславского района Костромской области может быть отнесён к экологически безопасному уровню, так как превышений ПДК не выявлено. По величине коэффи-

циента биологического поглощения (КБП) для клубней картофеля элементы можно расположить в следующий ряд

цинк > медь > кадмий > марганец > мышьяк > стронций > никель > кобальт > хром > ванадий > свинец > титан.

7. По содержанию тяжелых металлов в почвах обследованных районов Костромской области вероятность эндемических заболеваний населения близка к нулевому значению.

Публикации по теме диссертации

1. Лебедева О.Ю., Фрумин Г. Т. Содержание валовых форм тяжелых металлов в почвах Костромской области // Общество. Среда. Развитие. Ш. 2010. - С.239-243. (0,25/0,2)

2. Лебедева О.Ю., Фрумин Г.Т. Содержание металлов в клубнях картофеля Судиславского района Костромской области // География и смежные науки. ЬХ1 Герценовские чтения. Материалы межвузовской конференции. СПб.: РГПУ им. А.И. Герцена. 2008. - С. 274-280. (0,4/0,3)

3. Лебедева О.Ю., Фрумин Г.Т. Накопление металлов в клубнях картофеля Судиславского района Костромской области // Водные и наземные экосистемы: проблемы и перспективы исследований. Материалы Всероссийской конференции с международным участием. Вологда: ГОУ «Вологодский государственный педагогический университет. 2008.-С. 128-130. (0,1/0,05)

4. Лебедева О.Ю., Фрумин Г. Т. Биогеохимическая оценка токсичности химических элементов для человека /'/ Геология, геоэкология, эволюционная география. Сборник научных трудов. Т.1Х. Сборник научных трудов. СПб.: РГПУ им. А.И. Герцена, 2009. - С. 253-255. (0,2/0,1)

5. Лебедева О.Ю. Содержание тяжелых металлов в почвах Костромской области // География: проблемы науки и образования. ЬХШ Герценовские чтения. Материалы ежегодной Международной научно-практической конференции. СПб.: РГПУ им. А.И.Герцена, 2010. - С. 46-48. (0,2)

6. Фрумин ГЛ., Лебедева О.Ю. Содержание некоторых тяжелых металлов в почвах Костромской области // География: проблемы науки и образования. ЬХИ Герценовские чтения. Материалы ежегодной всероссийской научно-практической конференции. Т.1. СПб.: РГПУ им. А.И. Герцена, 2009. - С. 308-311. (0,2/0,15)

Подписано в печать 20.01.2011. Формат 60/84Vjg. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.печ.л.1,5. Тираж 100 экз. Заказ №751. Отпечатано в цифровом копировальном центре «Восстания-1 Санкт-Петербург, пл. Восстания, 1.

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Лебедева, Ольга Юрьевна

ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТИ.

1.1. Геологическое строение и рельеф.

1.2. Гидроклиматическиеусловия.

1.3. Почвы.

1.4. Субъекты антропогенного воздействия.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Исходные данные.

2.2. Отбор и анализ проб почв.

2.3. Математико-статистическая обработка данных.

2.4. Оценка степени загрязненности почв.

Глава 3. КОЭФФИЦИЕНТЫ АНТРОПОГЕННОГО ДАВЛЕНИЯ НА ТЕРРИТОРИИ.

3.1. Коэффициент антропогенного давления как индикатор антропогенного воздействия на территорию.

3.2. Антропогенное давление на территорию Костромской и соседних областей.

3.3. Антропогенное давление на районы Костромской области.

Глава 4. СОДЕРЖАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВАХ КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТИ.

4.1. Содержание валовых форм тяжелых металлов в почвах Костромской области.

4.2. Суммарный показатель загрязненности почв Костромской области и приоритетные загрязняющие вещества.

4.3. Количественные соотношения между кларками и средним валовым содержанием металлов в почвах Костромской области и других регионов.

4.4. Алгоритм прогнозирования содержания металлов в почвах.

4.5. Распределение содержания валовых форм тяжелых металлов в почвах обследованных районов и правило Оддо-Гаркинса.

Глава 5. СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТИ И ЗАБОЛЕВАЕМОСТЬ НАСЕЛЕНИЯ.

5.1. Эндемическое значение почвы.

5.2. Содержания металлов в клубнях картофеля Костромской области.

5.3. Количественные соотношения между общей заболеваемостью населения по классам МКБ-10 и содержанием тяжелых металлов в почвах Костромской области.

5.4. Биогеохимическая оценка токсичности химических элементов для человека.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геоэкологическая оценка распределения валовых форм тяжелых металлов в почвах Костромской области"

Согласно статистическим данным, в настоящее время известно более 10 млн. химических веществ (по некоторым оценкам около 15 млн.), из которых 53500 представляют потенциальную опасность для человека, флоры и фауны. Среди множества химических веществ выделяют те, которые производятся в крупных масштабах (более 1000 кг/год) и которые представляют особую опасность для различных экосистем. Эту группу веществ называют приоритетными загрязняющими веществами окружающей природной среды [99].

Странами ООН, участвующими в мероприятиях по улучшению и охране окружающей среды, согласован общий перечень наиболее важных (приоритетных) веществ, загрязняющих биосферу. К их числу относят соединения тяжелых металлов, пестициды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), хлорорганические соединения (ХОС), фенолы, детергенты, нитраты и нефтепродукты.

Среди многочисленных веществ, загрязняющих биосферу, тяжелые металлы (ТМ) считаются самыми опасными. ТМ - группа химических л элементов, имеющих плотность более 5 г/дм . Этот термин заимствован из технической литературы, где металлы классифицируются на легкие и тяжелые [3].

Элементы, содержащиеся в организмах в очень небольших количествах

10'3% и меньше), принято называть микроэлементами. Этот термин условный, так как содержание некоторых из них в организмах может 2 | достигать 10-10"%. Впервые на особую роль микроэлементов в биологических процессах указал основатель отечественной геохимии академик В.И. Вернадский.

Особой формой биосферы является почва: ее слой не только накапливает все загрязняющие вещества, но и выступает как природный переносчик химических элементов в атмосферу, в гидросферу, в растения, в нашу пищу. Металлы сравнительно легко накапливаются в почвах, но трудно и медленно из нее удаляются. Период полувыведения из почвы: цинка до 500 лет, кадмия - до 1100 лет, меди — до 1500 лет, свинца - до нескольких тысяч лет [28; 82].

В составе почв обнаружены почти все элементы Периодической системы Д.И. Менделеева, которые найдены и в растениях. Главным источником поступления микроэлементов в почвы являются материнские горные породы. Микроэлементы могут поступать в почву с метеоритной и космической пылью, вулканическими газами, с морскими брызгами, из почвенно-грунтовых вод, в результате геохимической деятельности человека и техногенного загрязнения биосферы.

Редкие и рассеянные химические элементы (микроэлементы) играют большую роль в нашей жизни. Микроэлементы необходимы растениям в относительно малых количествах. Их недостаток в почвах, как и избыток, приводит к снижению урожайности культурных растений, ухудшению качества сельскохозяйственной продукции, а в некоторых случаях является причиной эндемических (местных) заболеваний растений, животных и человека. Поступление микроэлементов в живые организмы осуществляется в системе почвы - растения - животные - человек. При этом человек получает микроэлементы как с животной, так и с растительной пищей.

Выявление районов с оптимальным, недостаточным или избыточным содержанием микроэлементов в почвах дает возможность регулировать уровень их содержания для получения полноценной сельскохозяйственной продукции и исключения эндемических заболеваний животных и человека. Микроудобрения являются мощным средством, с помощью которого возможно регулирование микроэлементного состава почв.

Основными источниками загрязнения почв металлами являются: орошение водами с повышенным содержанием тяжелых металлов, внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения, вторичное загрязнение вследствие выноса металлов из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками, поступление больших количеств тяжелых металлов при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов, содержащих тяжелые металлы. Тяжелые металлы антропогенного происхождения попадают в почву из воздуха в виде твердых или жидких осадков. Лесные массивы с их развитой контактирующей поверхностью особенно интенсивно задерживают тяжелые металлы, при этом в первую очередь удерживают наиболее мелкие частицы. Опасность загрязнения тяжелыми металлами из воздуха в равной степени значима для любых почв. Ионы тяжелых металлов способны специфически адсорбироваться почвами с образованием относительно прочных связей с некоторыми поверхностными функциональными группами.

Образование комплексных соединений металлов с органическим веществом почвы способствует выведению излишних масс металлов из миграционных циклов на длительное время. Прочность фиксации разных металлов в органическом веществе почв неодинакова. Наиболее прочно закрепляется ртуть, прочно связывается свинец, менее прочно - медь, еще менее - цинк и кадмий. Загрязнение почв металлами приводит к изменению видового состава комплекса микроорганизмов. Происходит значительное сокращение видового разнообразия комплекса почвенных микромицетов и появление устойчивых к тяжелым металлам микромицетов.

Процесс трансформации поступивших в почву в процессе техногенеза тяжелых металлов включает следующие стадии: 1) преобразование оксидов тяжелых металлов в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты); 2) растворение гидроксидов (карбонатов, гидрокарбонатов) тяжелых металлов и адсорбция соответствующих катионов тяжелых металлов твердыми фазами почв; 3) образование фосфатов тяжелых металлов и их соединений с органическими веществами почвы [30].

Особо отметим следующее [30]: 1. Для каждого химического элемента существует свой определенный средний уровень концентрации в различных компонентах географической оболочки - горных породах, водах, живом веществе, атмосферном воздухе, почве. При превышении этого уровня в деятельности организмов появляются заметные нарушения.

2. На общем фоне выделяются территории, для которых характерно избыточное или недостаточное содержание тех или иных элементов в среде. Это геохимические аномалии, которые так или иначе воздействуют на растения, животных, человека, способствуя развитию эндемических заболеваний. Эндемические заболевания биогеохимической природы - это болезни, постоянно существующие на ограниченной территории и причинно связанные с ее климатогеографическими, в том числе биогеохимическими и техногенными факторами [89].

В связи с изложенным всесторонний анализ распределения валовых форм тяжелых металлов в почвах любого региона представляет собой актуальную задачу, так как при успешном ее решении оказывается возможным установить первопричины экологических изменений, осуществить прогноз состояния почвенных экосистем, провести необходимые природоохранные мероприятия и разработать систему управления антропогенными нагрузками на почвы области.

Цель диссертационного исследования заключалась в выявлении особенностей распределения и оценке содержания валовых форм тяжелых металлов в почвенном покрове субъекта РФ, а также установлении взаимосвязи между содержанием валовых форм тяжелых металлов в почвах и эндемическими заболеваниями населения.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- обследовать почвы (отобрать их пробы и провести инструментальное определение в них содержания тяжелых металлов);

- обосновать условно фоновый район области по содержанию тяжелых металлов;

- провести сравнительную оценку загрязненности почв различных районов субъекта РФ по содержанию тяжелых металлов;

- выявить приоритетные загрязняющие металлы в почвах различных территорий;

- выявить количественные соотношения между содержанием тяжелых металлов в почвах и их кларками;

- разработать алгоритм прогнозирования содержания тяжелых металлов в почвах; провести сравнительную оценку заболеваемости населения в корреляционной связи с содержанием тяжелых металлов в почвах (наличие или отсутствие эндемических заболеваний).

Объект исследования - тяжелые металлы в почвах Костромской области.

Предмет исследования - оценка загрязненности тяжелыми металлами почвенного покрова, как депонирующей среды. Научная новизна работы.

- разработан алгоритм прогнозирования содержания тяжелых металлов в почвах;

- установлено, что, в соответствии с правилом Оддо-Гаркинса, содержание четных химических элементов в почвах исследуемой территории выше, чем содержание соседних нечетных химических элементов;

- выявлены статистически значимые количественные соотношения между содержанием тяжелых металлов в почвах обследованных районов Костромской области и заболеванием населения.

Практическая значимость. Выявленные закономерности распределения и содержания тяжелых металлов в почвах Костромской области важны для оценки степени изменения геоэкологической ситуации рассматриваемого региона. Данные исследования позволяют судить о состоянии почвенного покрова области. Материалы исследования могут быть использованы для мониторинга почв.

Положения, выносимые на защиту:

- идентификация условно фонового района по содержанию тяжелых металлов в почвенном покрове с учетом минимальной величины коэффициента антропогенного воздействия;

- алгоритм прогнозирования содержания тяжелых металлов в почвах, базирующийся на математико-статистической обработке количественных соотношений между содержанием тяжелых металлов в почвах и их кларками;

- особенности содержания и распределения тяжелых металлов в почвах исследуемого региона.

Достоверность научных положений и выводов обусловлена критическим анализом большого количества литературных источников, аналитическими материалами, полученными на современном сертифицированном оборудовании и применением современных методов математико-статистической обработки данных.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и обсуждались на: Межвузовской конференции ЬХ1 Герценовские чтения «География и смежные науки» (РГГПУ им. Герцена, Санкт-Петербург, 24-28 апреля 2008 г.), Всероссийской конференции с международным участием «Водные и наземные экосистемы: проблемы и перспективы исследований» (Вологодский государственный педагогический университет, Вологда, 24 -28 ноября 2008г.), Всероссийской научно-методической конференции ЬХП Герценовские чтения «География: проблемы науки и образования» (РГГПУ им. Герцена, Санкт-Петербург, 2009г.); IX Международном семинаре «Геология, геоэкология, эволюционная география (РГГПУ им. Герцена, Санкт-Петербург, 9-10 апреля 2009г.); Ежегодной Всероссийской научно-методической конференции с международным участием ЬХШ Герценовские чтения «География: наука и образование» (РГГПУ им. Герцена, Санкт-Петербург, 22-24 апреля 2010г.), научных семинарах кафедры физической географии и природопользования РГПУ им. Герцена (2008-2010 гг.).

Публикации. Материалы изложены в 6 публикациях, в том числе в журнале «Общество. Среда. Развитие», рекомендованном ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста, включает 49 таблиц, 55 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 112 публикаций.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Лебедева, Ольга Юрьевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Состояние почв имеет важнейшее значение для оценки экологического состояния той или иной территории, так как почвы представляют тройной интерес: как начальное звено пищевой цепи, как источник вторичного загрязнения атмосферы и вод, и как интегральный показатель экологического состояния окружающей среды. Кроме того, возможно и прямое негативное воздействие загрязненных почв на здоровье населения. Именно поэтому большинство обследований территорий начинается с исследования состояния почв, а показатели их загрязненности входят в набор обязательных параметров при определении мест экологического бедствия или кризиса.

В ряду вопросов охраны окружающей среды одной из приоритетных является проблема снижения уровня загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами. Техногенные потоки таких опасных загрязняющих веществ, как тяжелые металлы (ТМ), становятся соизмеримыми с количествами, естественно участвующих в биогенном круговороте веществ, а иногда и превышающими последние. В современных условиях возрастающей техногенной нагрузки на окружающую среду прогнозируется тенденция их увеличения.

Среди всех химических загрязняющих веществ тяжелые металлы рассматриваются как имеющие особое экологическое, биологическое и природоохранное значение, так как поступление их в живые организмы даже в невысоких концентрациях уменьшает их иммунологический статус и может иметь нежелательные отдаленные последствия, в том числе и генетические.

Данное исследование базируется на получении информации о содержании валовых форм тяжелых металлов в почвах, а также в картофелеводческой продукции и последующей процедуре совместной обработки этой информации с данными по состоянию здоровья населения.

На основании проведенного исследования сделаны следующие выводы:

1. Коэффициент антропогенного давления К представляет собой некоторый индекс, комплексно учитывающий антропогенное воздействие на различные территории. Среди обследованных районов Костромской области наибольшее значение К установлено для Костромского района (К = 5,25), а наименьшие значения - для Антроповского и Чухломского районов (К = 0,23). В этой связи и в первом приближении минимальные из определенных величин концентраций металлов в почвах Чухломского района можно рассматривать как «условно фоновые» концентрации.

2. По величинам суммарного показателя загрязненности почв () исследованные районы ранжируются следующим образом: Судиславский (2С=21,3) > Буйский (2С=20,3) > Галичский ^с=19,2) > Сусанинский

8,6) > Красносельский (2с=18,2) > Островский (Хо=П,1) > Нерехтский (7С=16,8) > Чухломской 16,4) > Костромской (2с=11,5) > Антроповский (2С=10,2). Почвы Антроповского и Костромского районов характеризуются допустимой категорией загрязнения, а почвы остальных исследованных районов - умеренной опасной категорией загрязнения.

3. Для почв всех исследованных районов приоритетными загрязняющими веществами являются соединения цинка (I класс опасности), свинца (I класс опасности), меди (II класс опасности) и марганца (III класс опасности).

4. Содержание тяжелых металлов в почвах 10 обследованных районов Костромской области связано тесной корреляционной зависимостью с кларками металлов в почвах (объяснимая доля разброса г варьирует от 0,930 до 0,970). Выявленные аналитические зависимости могут быть использованы для прогнозирования содержания в почвах исследованных районов Костромской области тех металлов, для которых такие определения не проводились.

5. Распределение тяжелых металлов в почвах различных районов Костромской области подчиняется правилу Отто-Гаркинса. Это означает, что в почвах различных районов Костромской области содержание четных химических элементов выше, чем содержание соседних нечетных элементов.

6. Микроэлементный статус клубней картофеля Судиславского района Костромской области может быть отнесён к экологически безопасному уровню, так как превышений ПДК не выявлено. По величине коэффициента биологического поглощения (КБП) для клубней картофеля элементы можно расположить в следующий ряд цинк > медь > кадмий > марганец > мышьяк > стронций > никель > кобальт > хром > ванадий > свинец > титан.

7. По содержанию тяжелых металлов в почвах обследованных районов Костромской области вероятность эндемических заболеваний населения близка к нулевому значению.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Лебедева, Ольга Юрьевна, Санкт-Петербург

1. Акимова Т.А., Хаскин В. В. Основы экоразвития: Учебное пособие. М.: Рос. экон. акад., 1994. — 312 с.

2. Александрова Э.А., Гайдукова Н.Г., Кошеленко H.A., Ткаченко З.Н. Тяжелые металлы в почвах и растениях и их аналитический контроль. Краснодар: КГАУ, 2001 С. 6 - 11.

3. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат. Ленингр. отделение, 1987. - 141 с.

4. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в агроландшафте. СПб.: ПИЯФ РАН, 2008.-216 с.

5. Алексеенко В.А. Классификация геохимических ландшафтов населенных пунктов // Экология: опыт, проблемы, поиск. Новороссийск, 1991.

6. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия: Учебник. — М.: Логос, 2000. — 627 с.

7. Альфа и омега. Краткий справочник. Таллин: Валгус, 1988. - 384 с.

8. Атлас «Окружающая среда и здоровье населения России». Абросимова Ю.Е., Артюхов В.В., Ермаков С.П., Мартынов A.C., Прохоров Б.Б. (ред.рус.изд.). М.: ПАИМС, 1995.-448 с.

9. Атлас Костромской области. М., 1975. - 32 с.

10. Бекенева H.A., Белова В.В., Груздева H.A., Лебедев В.П., Петрова Л.А., Рябинин А.Н. География Костромской области. Кострома, 1995. - 143 с.

11. Беспамятных Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Справочник. Л. Химия, 1985. -528 с.

12. Блинов Б.К., Вертинская Г.К., Малахов С.Г., Махонько Э.П. К вопросу определения фоновых концентраций тяжелых металлов в почве // Материалы Всесоюзного совещания «Опыт и методы экологического мониторинга». Пущино, 1978.-С. 217-221.

13. Большаков В.А., Галъпер Н.Я., Клименко Т.Я. и др. Загрязнение почв и растительности тяжёлыми металлами. М.: ВНИИТЭИСХ.- 1978, 52 с.

14. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия. Версия 2010 г. (www.KM.ru)

15. Бондарев Л.Г. Ландшафты, металлы и человек. М.: Мысль, 1976. - 72 с.

16. Боровиков В.П., Боровиков И.П. STATISTICA Статистический анализ и обработка данных в среде Windows. - М.: Филинъ, 1997. — 608 с.

17. Воробейник Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем (локальный уровень). Екатеринбург: УИФ «Наука», 1994. -281 с.

18. Воронцов A.M. Обобщенные показатели состояния в системе индексов качества природных сред: проблемы и перспективы. Доклад СПб.: научный Совет «экология и природные ресурсы». СПб. НЦ РАН., 2004. - 11 с.

19. Вернадский В.И. Очерки геохимии. М.: Наука, 1983. - 423 с.

20. Виноградов А.П. Биогеохимические провинции и эндемии // Доклады АН СССР. Том 18. 1938. №4/5.

21. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных элементов в почвах. М.: Изд. АН СССР, 1957. 238 с.

22. Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Поваренных A.C., Прохоров В.Г. Краткий справочник по геохимии. М.: Недра, 1970. - С.61.

23. Гамзикова О. И. Состояние исследований в области генетики минерального питания. // Агрохимия. 1992. - №4. - С. 132-150.

24. Гармаш Г.А. Содержание свинца и кадмия в различных частях картофеля и овощей, выращенных на загрязненной этими металлами почве // Химические элементы в системе почва растение. Новосибирск, 1982. -С.105-110.

25. Гончарук Е.И., Соколов М.С., Шосток Л.Б., Геец В.И., Никоненок В.Г., Спасов A.C. Применение модели «растение почва» для нормирования химических веществ в почве//Гигиена и санитария. №2, 1977. -С.73-78.

26. Гуралъчук Ж.З. Механизмы устойчивости растений к тяжелым металлам // Физиология и биохимия культурных растений. Т.26, №2, 1994. С.107-117.

27. Давыдова C.JI. О токсичности ионов металлов. М.: Знание, 1991. - 32 с.

28. Данилов-Данилъян В.И., Лосев КС. Экологический вызов и устойчивое развитие. Учебное пособие. М.: Прогресс - Традиция, 2000 - 416 с.

29. Дмитриев В.В., Фрумин Г.Т. Экологическое нормирование и устойчивость природных систем. СПб.: СПб ГУ, РГГМУ, 2004. - С. 91 - 92.

30. Добровольский В.В. География микроэлементов. Глобальное рассеяние. М.: Мысль, 1983. - 272 с.

31. Добровольский В.В. Основы биогеохимии. М.: Высшая школа, 1998. 413 с.

32. Дрейпер К, Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.: Статистика, 1973.

33. Дружинин B.C., Сикан A.B. Методы статистической обработки гидрометеорологической информации. Учебное пособие. СПб.: РГГМУ, 2001.-169 с.

34. Дудин В.А. История костромских лесов. Кострома: ДиАр, 2000. - 256 с.

35. Дьяконова О.В. Тяжелые металлы и минеральные формы азота в системе почва растение. Автореф. дисс. канд. с.-х. наук. - Барнаул, 2005. - 15 с.

36. Егоров В.В. Полевое обследование и картографирование уровня загрязненности почвенного покрова техногенными выбросами через атмосферу. Методические указания. М.: ВАСХНИЛ им. В.И. Ленина, почвенный институт им. В.В. Докучаева, 1980.

37. Елъчининова O.A. Микроэлементы в наземных экосистемах Алтайской горной области. Автореф. дисс. докт. с.-х. наук. — Барнаул: Институт водных и экологических проблем СО РАН, 2009. — 35 с.

38. Жулидов A.B., Покаржевский А.Д., Гусев A.A. Фоновые концентрации тяжелых металлов в теле беспозвоночных животных в Европейской лесостепи // Структура и функционирование заповедных лесных экосистем. -М., 1988.-С.79-86.

39. ЗаксЛ. Статистическое оценивание. -М.: Статистика, 1976.

40. Зырин Н.Г. Химия тяжелых металлов, мышьяка и молибдена в почвах. -М.: МГУ, 1985.-206 с.

41. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов: Справочное издание / Под ред. Э.К. Буренкова. М.: Недра, 1994. - С. 304.

42. Ильин В.Б. Элементный химический состав растений. Новосибирск: Наука, 1985 - 129 с.

43. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. Новосибирск: Наука, 1991.-151 с.

44. Ильин В.Б. Оценка существующих экологических нормативов содержания тяжелых металлов в почве // Агрохимия. №9, 2000. С.74-79.

45. Ильин В.Б., Степанова М.Д. Защитные возможности системы почва-растение при загрязнении почвы тяжелыми металлами // Тяжелые металлы в окружающей среде. М.: МГУ, 1980. - С. 80 - 84.

46. Интегральная оценка экологического состояния и качества среды городских территорий. // Алимов А.Ф., Дмитриев В.В., Флоринская Т.М., Хованов Н.В., Чистобаев А.И. / Под.ред. А.К. Фролова.: СПбНЦ РАН. -СПб., 1999.-253 с.

47. Исаченко А.Г Экологическая география России. СПб.: Издательство Санкт-Петербургского университета, 2001. - 328 с

48. Кабата — Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. Пер. с англ. М.: Мир, 1989. - 493 с.

49. Кист A.A. О связи между токсичностью некоторых элементов и их содержанием в нормальном организме. В кн.: Активационный анализ биологических объектов. Ташкент: Изд. «ФАН» Узбекской ССР, 1967.1. С. 87-91.

50. Кист A.A. Феноменология биогеохимии и бионеорганической химии. — Ташкент: Изд. «ФАН» Узбекской ССР, 1987. 236 с.

51. Ковалевский А.Л. О биохимических параметрах растений и некоторых особенностях их изучения // Труды ин-та естественных наук. Вып.-2.- Улан-Уде. Бурятское книжное изд-во., 1969.

52. Ковалевский А.Л. Биогеохимия растений. — Новосибирск: Наука, 1991 -294 с.

53. Ковальский В.В. Регионы биосферы основа биогеохимического районирования. В сб.: «Биосфера и ее ресурсы». М., 1971.

54. Ковальский В.В. Некоторые задачи геохимической экологии // Очерки современной геохимии и аналитической химии. М.: Наука, 1972. С. 514-520.

55. Ковальский В.В. Геохимическая экология. М.: Наука, 1974. 300 с.

56. Ковальский В.В. Геохимическая среда и жизнь. — М.: Наука, 1982.

57. Ковальский В.В., Блохина P.M. Геохимическая экология эндемического зоба // Проблемы геохимической экологии организмов. М.: Наука, 1974.

58. Кондратьев К.Я., Донченко В.К, Лосев КС., Фролов А.К Экология -экономика — политика. СПб.: Научный центр РАН, 1996. - 827 с.

59. Котляков В.М., Лосев КС., Суетова И.А. Вложение энергии в территорию как экологический индикатор // Изв. Академии наук. Сер. геогр., №3, 1995.-С. 70-75.

60. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперемента. — Минск: БГУ им. В.И. Ленина, 1982. 302 с.

61. Лебедева О.Ю., Фрумин Г.Т. Содержание металлов в клубнях картофеля Судиславского района Костромской области // География и смежные науки. LXI Герценовские чтения. Материалы межвузовской конференции. СПб.: РГПУ им. А.И. Герцена. 2008. С. 274-280.

62. Лебедева О.Ю., Фрумин Г.Т. Биогеохимическая оценка токсичности химических элементов для человека // Геология, геоэкология, эволюционная география. Сборник научных трудов. T.IX. Сборник научных трудов. СПб.: РГПУ им. А.И. Герцена, 2009. С. 253-255.

63. Лебедева О.Ю. Содержание тяжелых металлов в почвах Костромской области // География: проблемы науки и образования. LXIII Герценовские чтения. Материалы ежегодной Международной научно-практической конференции. СПб.: РГПУ им. А.И.Герцена, 2010. С. 46-48.

64. Лебедева О.Ю., Фрумин Г.Т. Содержание валовых форм тяжелых металлов в почвах Костромской области // Общество. Среда. Развитие. №3. 2010. С.239-243.

65. Макарова Н.В., Трофимец В.Я. Статистика в Excel: Учеб. пособие. М.: Финансы и статистика, 2002. - 368 с.

66. Максимович C.B. Почвы Костромской области как объект охраны и улучшения / Природа Костромской области и ее охрана. Ярославль: Верхне-Волжское кн. изд-во, 1973. - С. 41 - 54.

67. Мамонтов В.Г., Панов Н.И, Кауричев И.С., Игнатьев H.H. Общее почвоведение. М.: КолоС, 2006. 456 с.

68. Macanee ММ Физико — географическое положение и климат Костромской области / Природа Костромской области и ее охрана. -Ярославль.: Верхне Волжское кн. изд-во, 1973. - С. 19 - 30.

69. Никаноров A.M., Жулидов A.B., Покаржевский А.Д. Биомониторинг тяжелых металлов в пресноводных экосистемах. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. -144 с.

70. Никаноров A.M., Жулидов A.B. Фоновые уровни концентрации ртути в теле гидробионтов в озерах Восточноевропейской Субарктики // Мониторинг фонового загрязнения природных сред. JL, 1986. Вып. 3. С. 186-190.

71. Никаноров A.M., Жулидов A.B. Биомониторинг металлов в пресноводных экосистемах. Д.: Гидрометеоиздат, 1991. - 312 с.

72. Никаноров A.M. Правило Оддо Гаркинса и распространенность химических элементов в пресноводных экосистемах // ДАН. Том 426, №1, май 2009, С. 110-114.

73. Обзор загрязнения природной среды в Российской Федерации за 1999 г. // Росгидромет. М., 2000. - 220 с.

74. Образцова А.Б., Фрумин Г.Т., Рянжин С.В. Антропогенные нагрузки на водосборные бассейны Балтийского моря. // Материалы конференции «Акватерра». СПб., 2004. - С. 227 - 230.

75. Образцова А.Б., Фрумин Г.Т. Новый подход к анализу водосборных бассейнов (на примере стран Балтийского моря). // Материалы итоговой сессии ученого совета РГГМУ. СПБ.: РГГМУ, 2005. - С. 198 - 199.

76. Опекунов А.Ю. Экологическое нормирование. СПб.: ВНИИ Океанология, 2001. - 216 с.

77. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве. Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.2511 09.

78. Перелъман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта: Учебное пособие. Издание 3-е, М.: Астрея-2000, 1999. 768 с.

79. Повестка на XXI век. Конференция ООН по охране окружающей среды и развитию. Рио-де-Жанейро, июнь 1992 г. Извлечения. М.: Центр координации и информации социально - экономического союза, 1997. - 31 с.

80. Протасова H.A. Микроэлементы: биологическая роль, распределение в почвах, влияние на распространение заболеваний человека и животных // Соросовский образовательный журнал, 1998. №2. С. 32 - 37.

81. Протасова H.A. Тяжелые металлы в черноземах и культурных растениях Воронежской области // Агрохимия. №2, 2005. С. 80 — 86.

82. Прохоров Б.Б. Экология человека. Терминологический словарь. Ростов -на - Дону: Феникс, 2005. - 476 с.

83. Растения в экстремальных условиях минерального питания / Под ред. М.Я. Школьника и Н.В. Алексеевой-Поповой. Л.: Наука, 1983. - 177с.

84. Рустембекова С.А., Барабошкина Т.А. Микроэлементозы и факторы экологического риска. -М.: Университет, книга; Логос, 2006. 112 с.

85. Сает Ю.Е Геохимия окружающей среды,- М.: Недра, 1990.

86. Седов К. Р., Иванов В. Н., Поваляева Я. И. Биогеохимическая ситуация в районах Читинской области с повышенным содержанием меди в почвах // Бюл. Сиб.отд-ния АМН СССР. 1989. - N2 : 0207-6322. - С. 31-33.

87. Соколов O.A., Черников В.А. Атлас распределения тяжелых металлов в объектах окружающей среды. Пущино, 1999. - 164 с.

88. Тонкопий Н.И., Перуовская А.Ф., Григорьева Т.Н., Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Смирнова P.C. Методические подходы к оценке степени загрязнения почв химическими веществами // Гигиена и санитария. №1, 1988. — С. 5 9.

89. Урсул А.Д. Переход России к устойчивому развитию. Ноосферная стратегия. -М.: Изд. дом «Ноосфера», 1998. 500 с.

90. Франке 3. Химия отравляющих веществ. М.: Химия, 1973, Том 1. - 440 с.

91. Фрумин Г.Т., Образцова А.Б., Рянжин C.B. Антропогенное давление на суббассейны Балтийского моря // Экологическая химия. Т. 13, вып. 4, 2004. -С. 270-278.

92. Фрумин Г.Т. Оценка состояния водных объектов и экологическое нормирование . СПб.: Синтез, 1998. - 96 с.

93. Фрумин Г.Т. Связь между антропогенным давлением на водосборные бассейны озер и водохранилищ и качеством их вод // Экологическая химия. №8, 1999-С. 101-105.

94. Фрумин Г.Т. Экологическая химия и экологическая токсикология. — СПб.: РГГМУ, 2002. 204 с.

95. Химическое загрязнение почв и их охрана: Словарь-справочник // Орлов Д.С., Малинина М.С., Мотузова Г.В. и др. М.: Агропромиздат, 1991.-304с.

96. Цыганок С. И. «Эколого агрохимическое состояние агроланлшафтов и реабилитация загрязненных тяжелыми металлами экосистем в Среднем Поволжье», 2006.

97. Человек. Медико биологические данные. Пер. с англ. - М.: Медицина, 1977.-496 с.

98. Шаров Л.Г., Мельникова Н.Л., Король В.Э. Накопление тяжелых металлов в почве города Волгореченска Костромской области // Учёные записки Института СХиПР НовГУ. 2006. Т. 14, в. 2. С. 44-48.

99. Шелутко В.А. Численные методы в гидрологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.-238 с.

100. Шильников И.Ф., Лебедев Л.А., Лебедев С.Н. Факторы, влияющие на поступление тяжелых металлов в растения. // Агрохимия.- 1994, №10. - С . 94-101.

101. Alberti М., Parker J.О. Indices of environmental quality. The search for credihle measures // Environ. Impact. Assess. Rev. 1991. vol. 11, №2. P. 95 101.

102. Bowen H.J.M. Trace elements in biochemistry. New York London: Academic Press, 1966. — 241 p.

103. Craig P.N. In: Advances in Chemistry Series, Amer. Chem. Soc., Washington, 1972, 114,115 129.

104. Historical Monitoring . A Techn. Report // Monitoring and Assessment Res. Centre. Rep. №31.- London, 1985. 320 p.

105. Popper K. The logic of scientific discovery. New York, Science Editions, 1961.

106. Topliss J.G., Costello R.J. И J. Med. Chem., 1972, 15, 1065 1068. 60.