Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Опыт исследования пространственного распределения техногенных органических токсикантов в почвах Окско-Донской провинции в пределах Тульской области

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Опыт исследования пространственного распределения техногенных органических токсикантов в почвах Окско-Донской провинции в пределах Тульской области"

,-л л-с I /С

I""' л; К ч-'»

/ ~ ' На правах рукописи

/ ОД 1 Ь ФЬВ 1999

Якунина 1 Ирина Нлпдимирмнна

Опыт нсслсдоиашш нространс)венного распределения тсхнш синил органических тшеенкантон п почвах Окско-Донском проштцнн в пределах Тульской облает.

Специальность 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва -1998

Работа выполнена на кафедре географии почв факультета Почвоведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель: академик РАН Добровольский Г.В.

Официальные оппоненты:

доктор географических наук Пиковский Ю.И.

кандидат биологических наук Решетина Т.В.

Ведущее учреждение:

Почвенный институт им. В. В. Докучаева РАСХН

Защита состоится « 199^г. в 15 часов 30 мин. в

аудитории М-2 на заседании диссертационного совета К 053. 05. 16 в МГУ им. М.В. Ломоносова на факультете почвоведения.

Адрес: 119889, Москва, Воробьевы горы, МГУ, ф-т Почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета Почвоведения.

Автореферат разослан « »__ 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г. В. Мотузова

гссс;:л:::/.:с ■ОСУ дл?-:т;-.::к;;л:! 3

сипл >от:::: \

Актуальность темы. Значительно возросшее за последние годы в Российской Федерации воздействие предприятий химического, нефтехимического, газового комплексов и автомобильного транспорта на все компоненты природной среды обусловливает необходимость тщательного изучения органических загрязняющих веществ (03В) в почвах промышленных агломераций и прилегающих к ним территорий. Известен целый ряд работ по изучению поведения 03В промышленного происхождения в почвах (Израэль, 1984; Ровинский и др., 1988; Пиковский, 1993; Геннадиев, 1990 и др.). Однако, вопросы пространственного распределения этих загрязнителей в почвенном покрове были освещены в недостаточной степени и, возможно, поэтому не получили своего отражения в отечественных методиках картографирования загрязненности почв. Между тем, необходимость особых подходов при обследовании почв территорий, загрязненных ОЗВ, вытекает из специфики последних, заключающейся в их одновременной высокой токсичности и неустойчивости в окружающей среде. Кроме того, множественность путей образования ОЗВ в производственных циклах может приводить к уравнивании) вкладов крупных промышленных предприятий и мелких источников, в том числе и непромышленных, в формирование определенного уровня загрязнения почв. Значение новых подходов к картографированию загрязненности почв органическими токсикантами особенно возрастает при проведении потаенно-экологического обследования регионов, подверженных значительному воздействию со стороны предприятий химического и нефтехимического комплекса. К таким регионам относится центр Русской равнины, и, в частности, Тульская область.

Цель исследований - путем крупно- и среднемасштабного картографирования загрязненности почвенного покрова оценить

пространственное распределение техногенных органических загрязняющих веществ в почвах Окско-Донской провинции в пределах Тульской области.

Поставленная цель определила следующие задачи:

1. Исследовать влияние ландшафтных факторов (мезорельефа, типа землепользования, расположения объекта исследования относительно источника загрязнения ) на пространственное распределение толуола и бенз(а)пирена в почвах.

2. Изучить характер распределения толуола и бенз(а}пирена в пределах профилей исследуемых типов почв.

3. По результатам исследования построить среднемасштабные синтетические карты экологической обстановки земель в зонах аэрогенного влияния предприятий химического комплекса.

4. Оценить устойчивость толуола в исследуемых типах почв в лабораторных условиях.

5. Учитывая относительную неустойчивость во внешней среде, а также множественность источников происхождения органических веществ, внести методические предложения для целей картографирования загрязнения почв.

Научная новизна работы. Впервые установлено, что специфика свойств и происхождения органических токсикантов оказывает значительное влияние на их пространственное распределение в почвенном покрове, в результате чего становится практически невозможным выявление зон загрязнения в их классическом понимании.

Впервые в процессе эксперимента определена степень устойчивости толуола в поверхностных горизонтах серых и светло-серых лесных почв.

Дадш методические рекомендации но картографированию загрязнения ночв органическими токсикантами.

Практическое значение работ. И рабою внесены предложения но меюдике картографирования загрязнения почвенного покрова ОЗВ. которые могут бьпъ использованы при проведении обследования почвенного покрова терри торий, подвергающихся техногенному загрязнению органическими токсикантами, а также при организации почвенно-чкологического мониторинга.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на конференции молодых ученых МГУ в 1996 году и на Международной конференции "Проблемы антропогенного почвообразования" (Москва, 1997г). Работа рассматривалась на заседаниях кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ им. М.13. Ломоносова.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.

Объем работы. Диссертация изложена па__страницах машинописного

текста, включает_ таблиц и__рисунков. Она состоит из введения, 7

глав, выводов и приложений. Список литературы содержит____

наименований на русском и иностранных тыках.

СОДЕРЖАНИЕ РАВОТЫ.

ГЛАВА 1. Обзор литературного материала.

Главными источниками загрязнения почвенного покрова органическими токсикал гами являются промышленные предприятия и автотранспорт. Основная часть ОЗВ поступает в почвы через атмосферу, создавая повышенный уровень загрязнения почвенного покрова этими

веществами в промышленно развитых регионах (Шабад, 1973; Израэль, 1984; Глазовская, 1988; Ровинекий и др., 1988; Пиковский, 1993; «Геохимия полициклических...», 1996; 8ие55, 1976). Центральный экономический район по объему выбросов органических токсикантов в природную среду занимает од::о из ведущих мест в Российской Федерации («Государственный доклад...», 1997).

Как показали многочисленные исследования (Шабад, 1973; Беспамятное, Кротов,1985; Шилина, Журавлева, 1986; Геннадиев, Пиковский, 1996 и др.), толуол и БП принципиально отличаются по своим свойствам и поведению в окружающей среде от стабильных в почве тяжелых металлов, изучение пространственного распределения которых и послужило основой для разработки методик крупно- и среднемасштабного картографирования загрязненности почвенного покрова ( «Методические рекомендации...», 1981).

Согласно существующим представлениям, распространение техногенных выбросов в атмосферу от промышленных предприятий определяется главным образом ветровым режимом (воздушными течениями и направлением диффузии) н особенностями рельефа. Зона загрязнения почвенного покрова чаще всего представляет эллипс, вытянутый в направлении преобладающих ветров («Методические указания...», 1977). Как правило, максимальное загрязнение почв, превышающее фоновые уровни на 1-3 порядка и более, отмечается в зоне радиусом около 3 км от источника выбросов, что в 10-40 раз превышает высоту трубы предприятия. По мере удаления от источника загрязнение почв уменьшается и на некотором расстоянии, которое определяется мощностью источника, достигает фонового уровня. Радиус зоны загрязнения обычно не превышает 10 км, но в некоторых случаях достигать 100 и более километров (Малахов, 1982). При близко расположенных друг к другу источниках выброса имеет место

«наложение» зон, что естественно уменьшает площадь загрязнения, но увеличивает содержание техногенных веществ в почвах ( Кочуров, 1987).

Отмеченные особенности пространственного распределения загрязняющих веществ нашли свое отражение в методиках крупно- и среднемасштабного картографирования загрязнения почвенного покрова ( «Полевое обследование...», 1980; «Методические рекомендации...», 1981; «Методические рекомендации...», 1995). Однако, в указанных методических подходах к исследованию загрязнения почвенного покрова не учитывается степень устойчивости загрязняющих веществ.

ГЛАВА 2. Объекты н методы исследования.

Сбор полевого материала для проводился в течение пяти лет - с 1993 по 1997 гг. включительно в составе комплексной почвенно-экологической экспедиции факультета почвоведения МГУ на территории Тульской области. Исследования проводились в • зонах влияния крупных промышленных предприятий химического комплекса на территориях, различающихся по биоклиматическим условиям и составу почвенного покрова.

Объект Первым объектом изучения послужили территории, прилегающие к заводу Синтетического каучука (СК) г. Ефремова. Ефремовский район расположен в центральной лесостепной и степной почвенно-биоклиматической области, в зоне серых лесных почв, черноземов оподзоленных, выщелоченных и типичных лесостепи, в Окско-Донской провинции. В почвенном покрове преобладают выщелоченные черноземы, присутствуют черноземы оподзоленные, а также серые лесные и пойменные почвы. Биоценозы представлены в основном агроценозами. Основным источником загрязнения ОЗВ является Ефремовский завод СК. Загрязнение почв и растительности на территориях, прилегающих к заводу, происходит, главным образом, через атмосферу. Объем атмосферных выбросов в год

обследования составил 8,791 тыс. т. Среди вредных веществ, выбрасываемых заводом, преобладают бутадиен, толуол, пропан, аммиак, этилен и др.

Объект 2. Вюрым объектом исследования послужили территории, прилегающие к Алексинскому химическому комбинату. Апексинский район расположен в подзоне хвойно-широколиственных лесов. В почвенном покрове преобладают дерново-подзолистые и светло-серые лесные почвы. Характерной особенностью рельефа является широкая и глубоковрезанная долина реки Оки. Основным источником зафязнения почвенного покрова является химический комбинат, выбрасывающий ацетон, толуол, бензин, бензол, формальдегид и др. Объем атмосферных выбросов комбината в год обследования составил 33,277 тыс. т.

Объект 3. Третий объект исследования - территория музея - усадьбы Л. И.. Толстого "Ясная Поляна" и его охранных зон (Щекинский район). Почвенный покров района представлен, главным образом, серыми лесными почвами. Музей-усадьба расположен в центре крупной промышленной агломерации, состоящей из трех промышленных узлов: Тульского, Щекинского и Новомосковского. Объем выбросов предприятий города Щекино составил в год обследования 18,338 тыс. т., в том числе АО «Щекиноазот» - 7,195 тыс. т. .В выбросах доминируют: циклогексан, капролакгам, спирт метиловый, бензол, толуол и др.

Картографирование загрязнения почв проводилось в соответствии с «Методическими рекомендациями по выявлению деградированных и загрязненных земель, 1995» (до 1995 года использовался проект этого документа. Всего в результате обследования территорий вышеописанных объектов было отобрано и проанализировано на содержание ОЗВ около 400 образцов.

При картографировании загрязнения почв были использованы топографические и почвенные карты масштаба 1 : 10 ООО и 1 : 50 ООО.

Для определения содержания токсикантов в почве использовались методы высокоэффективной жидкостной и газовой хроматографии

Для оценки связей содержания загрязнителей с другими свойствами почв, а также с ландшафтными характеристиками применялись методы математической статистики - корреляционный и однофакторный и двухфакторный дисперсионный анализ.

Для построения картосхем загрязнения был использован программный комплекс Surfer, создание синтетических карг почвенно-экологической обстановки проводилось с использованием геоинформационной системы Mapinfo (версия 4.0, профессиональная).

ГЛАВА 3. Пространственное распределение толуола и бенз(а)ли|>ена в почвах.

В результате исследования зафязненности БП и толуолом почвенного покрова территорий, прилегающих к предприятиям химического комплекса в различных районах Тульской области, были построены картосхемы загрязнения почв этими токсикантами и выявлены участки, характеризующиеся различными уровнями загрязнения почв - от допустимого до высокого (уровни загрязнения определялись согласно «Методическим указаниям...», 1996) (Таблица 1). Наиболее высокое содержание ОЗВ на значительных площадях отмечается в зоне влияния предприятий Щекинского района, что обусловлено большим объемом выбросов имеющихся здесь источников промышленного загрязнения и влиянием автотранспорта (Рис. 1).

К)

Таблица 1. Показатели уровня загрязнения земель химическими веществами. ("Методические рекомендации...",1996)

Соединение Содержание (мг/кг), соответствующее уровню загрязнения

1 уровень допустимый 2 уровень низкий 3 уровень сре.лмий 4 уровень 5 уровень СЧспЬ ВЫССшии

Бенз(з)пирен < 0,02 (ПДК) от 0,02 до 0,1 от 0,1 до 0,25 от 0,25 до 0,5 >0,5

Толуол < 0,3 (ПДК) от 0,3 до 10 от 10 до 50 от 50 до 100 > 100

Распределение бенз(а)пирена. В зонах влияния химических предприятий были выявлены участки почвенного покрова, в которых содержание БП превышало допустимый уровень загрязнения. В Алексинском и Ефремовском районах эти участки имели небольшую площадь, и их расположение не было связано с расстоянием и направлением от рассматриваемых предприятий. В Щекинском районе ареалы загрязнения составляли значительную часть от общей площади исследуемой территории, причем была выявлена тенденция к постепенному увеличению концентрации БП в почвах по мере удаления от крупных предприятий химического комплекса - АО «Щекиноазот» и Щекинское АООТ «Химволокно» и приближения к Косогорскому .металлургическому заводу. Одновременно следует отметить невозможность выделения четких зон загрязнения почвенного покрова БП относительно Косогорского металлургического завода (Рис. 16).

Полученные сведения о пространственном распределении БП в почвах свидетельствуют о том, что даже крупные химические предприятия могут не являться основными источниками загрязнения почвенного покрова этим суперэкртоксикантом. Незначительное участие БП в выбросах обусловлено специфическими чертами технологических процессов химическою производства, главной из которых является подчиненная (по сравнению с энергетикой, металлургией и машиностроением) роль высокотемпературных реакций с участием органических веществ. На этом фоне резко возрастает значение так называемых локальных источников (пожары, автотранспорт,

работа котельных, АЗС), влияние которых на уровень и площади загрязнения почвенного покрова БП сопоставимо, а иногда и превышает влияние мощных химических предприятий. В результате, расположение ареалов загрязнения почв промышленных агломераций становится достаточно хаотичным (как в Алексииском и Ефремовском районах). Когда объем ПАУ, выбрасываемых промышленными предприятиями в атмосферу, достаточно велик (Косогорский металлургический завод), возможно установление связей между ландшафтными характеристиками (рельеф и направление от предприятия) и содержанием БП в почвах.

Распределение толуола. Было установлено, что практически на всех территориях обследования концентрация толуола в почвах превышает допустимый уровень, иногда достигая среднего уровня загрязнения. Особенно значительных масштабов загрязнение толуолом достигло в Щекинском районе (Рис. 1а). Исключение составили лишь территории, прилегающие к Алексинскому химическому комбинату. Там уровень загрязнения толуолом редко поднимался выше допустимого, так как объем выбросов химкомбината л атмосферу в год обследования несколько снизился. Следовательно, в целом была установлена непосредственная связь между содержанием толуола в почвах и производственной деятельностью предприятий химического комплекса. При стабильности объемов выбросов в атмосферу эти предприятия создают постоянный подток толуола на территории своего непосредственного влияния, обеспечивая постоянство общего уровня загрязнения. (Рис. 2) Неустойчивость толуола в почвах препятствует выявлению четких зон загрязнения относительно предприятия при обследовании по общепринятым методикам.

Описанный выше сложный характер связей между содержанием ОЗВ в почвенном покрове и параметрами источников атмосферных выбросов

Рисунок 1. За1рязиенис толуолом (а) и бет(а)ииреиом (б) ночи I Пекинского района Тульской области (поданным 1995г.).

а)

б)

Рисунок 2. Содержание толуола в почвах музея-усадьбы Л. II. Толстого "Ясная Поляна".

1995 г.

/

к

X X * *

* •' «к

: К : • *

1997 г.

Условные обозначения:

- дороги

^ ^ ^ - храитпр) усадьбы "Ясная Поляна" х - Т;"1К11 отбора смешанных обра-щов

Уровни за (ряшення:

J - допустимый

¡ВИ-^1

районов исследований позволяет рекомендовать при проведении крупно- и среднемасштабного картографирования загрязнения почв отбор образцов по равномерной сетке, а не по румбам относительно главного источника загрязнения. На тех территориях, где при почвенно-экологическом обследовании выявляется постоянный подток летучих ОЗВ и относительно постоянный общий уровень загрязнения почвенного покрова, целесообразна организация специальных опорных постов слеження за содержанием токсикантов в почве.

ГЛАВА 4. Распределение толуола н бенз(а)пирена в пределах почвенного профиля и по элементам мезорельефа.

С целью изучения распределения ОЗВ в пределах профилей почв, располагающихся на различных элементах мезорельефа, на исследуемых территориях в Алексинском и Щекниском, Ефремовском районах нами были заложены и исследованы серии разрезов.

Полученные данные о загрязнении почв разрезов органическими токсикантами позволяют говорить о том, что их содержание в почвах в основном находится в пределах допустимого уровня и только в разрезах, заложенных в Ефремовском районе, превышает установленные ПДК.

Для всех серий разрезов характерно, что содержание толуола в поверхностных горизонтах разрезов, приуроченных к верхним и средним частям склонов, во всех случаях было ниже, чем в горизонтах В или А1А2, тогда как в профилях разрезов, находящихся в подчиненных позициях, распределение толуола в обратное. Следует также отметить, что содержание толуола в пахотном горизонте максимально для разрезов, располагавшихся в нижних частях склонов. Подобный характер распределения толуола может быть обусловлен тем, что на водоразделах и верхних частях склонов в поверхностных горизонтах почвы создаются наиболее благоприятные

условия для дефадации этого токсиканта под воздействием потоков атмосферного воздуха и солнечной радиации.

Максимальное содержание бенз(а)пнрена во всех районах исследовали? приурочено к верхним частям ¡умусишкумулятвных горизонтов почв. Этот факт согласуется с литературными данными о малой подвижности, относительной устойчивости этого поллютанта в исследуемых почвах и преимущественной локализации его в поверхностных горизонтах лочв. Исключение составляют лишь разрезы, заложенные на водораздельных участках и верхних частях склонов, причиной чего может служить латеральный перенос 6еиз(а)пирена с почвенными частицами вниз по склону.

Рисунок 3.

Содержание толуола в серых лесных почвах Щекинского района (мкг/кг почвы).

50

„..Я_,.. [ йвз.

I [пАпах(0-19см) |ИА1А2(1М4см)

О

водораздел

сред.часть склона

иижн.частъ склона

Содержание БП в серых лесных почвах Щекинского района (мкг/кг почвы).

за

25 20 15 10 5 О

Л

водораздел

сред, масть склона

н«кн.частъ склона

ГЛАВА 5, Синтетические карты экологической обстановки земель в зона* аэрогенного влияния предприятий химического комплекса.

Картосхемы загрязнения почвенного покрова как отдельными токсикантами, так и их совокупностью не дают полного представления о почвенно-экологическом состоянии обследуемой территории. Поэтому особую значимость для решения природоохранных задач (оптимальное природопользование, разработка систем мониторинга, прогнозирование ответных реакций почв на антропогенный прессинг) приобретают синтетические карты экологического состояния почвенного покрова, построенные по показателям, существенно отличающимся между собой временной динамикой. В экологической практике известны примеры расчета синтетических индексов экологического состояния почвенного покрова, подвергающегося комбинированному антропогенному воздействию, и создания синтетических карт для этих территорий (Медведев, Лактионова, Абрамов, 1997).

Для комплексной экологической оценки районов исследования нами были использованы сведения о загрязненности почвенного покрова БП и толуолом, структура землепользования территорий и характеристики рельефа. Карты, полученные в результате наложения слоев, отражающих указанные параметры, получили название синтетических карт экологической обстановки земель (название условное). (Рис. 4)

На слое, характеризующем загрязнение почвенного покрова района исследования, выделение результирующих контуров проводилось по максимальному уровню загрязнения. Основой для выделения контуров по элементам мезорельефа и типу землепользования послужили топографические карты масштаба 1 : 50 ООО и 1 : 10 ООО. При присвоении баллов градациям показателей экологической обстановки земель учитывался

различный вклад каждого из этих показателей, а также принцип «чем лучше условия для жизни человека, тем меньше балл». Причем рельеф, который опосредовано влияет на экологическую обстановку территории путем перераспределения аэрогенных загрязняющих веществ, получил меньший вес, чем другие учитываемые показатели. (Табл. 2).

Для расчета индекса экологической обстановки земель баллы контуров суммировались, и полученная сумма делилась на 3 (число показателей). По величине полученною индекса и в соотвеютвии с его градациями (Табл. 3) и выделялись контуры синтетических карг экологической обстановки земель.

Построенные синтетические карты экологической обстановки земель районов исследования в Тульской области позволяют сделать следующие заключения:

• самая неблагополучная почвенно-зкоиогическаи обстановка наблюдается в районе музея-усадьбы Л.Н. Толстого и его охранных зон (в Щекинской промышленной агломерации);

• на всех изучаемых территориях отмечаются ареалы неблагоприятной (вторая градация) экологической обстановки земель;

• выявляется отсутствие четких зон техногенной нагрузки, ориентированных относительно крупного источника загрязнения;

• созданные при помощи экспертной оценки градации показателей экологической обстановки земель позволяют в синтетических картах установить приемлемую связь между консервативными эколошческими ландшафтиыми характеристиками территории и мобильными показателями загрязнения почв.

Таблица 2.

Калльная оценка показателей экологической обстановки земель.

Показатели ЭОЗ 1. Тип землепользования: естественные угодья сельскохозяйственные земли БАЛЛ 1 2

жилые застройки 3

промышленные зоны 2. Рельеф: водораздел, склон крутизной менее 2° склон крупппой более 2° аккумулятивные формы 4_ 1

1.5 ......г" ~

3. Уровень загрязнения ОЗВ: донусгимый низкий 1 ""г'

средний пысокнй очень высокий 3 4

Таблица 3 .

Градации экологической обстановки земель

Значения индекса ЭОЗ Характеристика ЭОЗ

1-1,7 допустимая

1,8-2,5 неблагоприятная

2,6 - 3,3 опасная

Рисунок 4. Синтетическая карта экологической обстановки земель территории музея-усадьбы Л.Н. Толстого "Ясная Поляна" (по данным 1995г.).

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

- допу стимая эклогическая обстановка

- пруд

1 - неблагоприятная экологическая обстановка 4 < граница территории мрея-усадьбы Л.Н.То.тстогс "Ясная Поляна"

ГЛАВА 6. Модельный опыт по устойчивости толуола в серой лесной почве.

Значительная динамичность ареанов загрязнения почвенного покрова моноциклическими углеводородами (толуолом, бензолом, фенолом и др.) обусловливает необходимость получения достоверных сведений об устойчивости этих веществ в почвах того или иного типа. Основным методическим приемом при решении указанной проблемы является применение модельного опыта.

В нашем модельном опыте динамика содержания толуола изучалась в образцах верхних минеральных горизонтов светло-серой и серой лесной суглинисгых почв, отобранных на фоновых участках в северной части Тульской области. Доза толуола, вносимая в смеси с водой на поверхность каждого образца, соответствовала 100 ПДК этого токсиканта в почве.

Таблица 4.

Изменение содержания толуола в образцах почв в процессе модельного опыта

Почва Содержание толуола, мкг/кг

через 1 час через 5 часов через 24 часа через 53 часа

Светло-серая лесная почва 14600 49 49 49

Серая лесная помпа 14600 14000 6500 49

Из результатов опыта видно, что процесс деградации толуола в исследуемых почвах имеет достаточно высокую скорость: для уменьшения содержания толуола в образцах почв до предела обнаружения ( 49 мкг/кг почвы) потребовалось не более 53 часов (Табл. 4 ). Следует отметить также, что этот процесс проходит интенсивнее в светло-серых лесных почвах, что может быть обусловлено различиями в поглотительной способности гумусоаккумулятивных горизонтов исследуемых почв.

Изменение содержания толуола в исследуемых почвах в процессе модельного опыта соответствует существующим в научной литературе представлениям о его летучести и высокой скорости разложения в объектах природной среды и является важным фактором, который необходимо учитывать при проведении картографирования загрязненности почвенного покрова.

ГЛАВА 7. Методические особенности крупно- и средмемасшгабиого картографирования летучих, органических загрязняющих веществ в почвах.

Важным элементом изучения пространственного распределения загрязнителей в почвах является методика пробоотбора на ключевой площадке. С целью определения степени достоверности получаемых результатов измерения содержания токсикантов на площадке пробоотбора в Щекинском районе Тульской области нами были проведены два полевых эксперимента.

Целью первого эксперимента являлось сравнение степени достоверности результатов картографирования загрязнения почв органическими токсикантами с использованием отбора смешанного и индивидуальных образцов со стандартной площадки пробоотбора.

Оказалось, что содержание исследуемых токсикантов сильно варьирует в пределах площадки пробоотбора ( Табл. 5). Следовательно, выпадение 03В на поверхность почвы в пределах этой площадки носит локальный характер. Среднее содержание токсикантов в индивидуальных образцах соответствует значениям, полученным в смешанном образце, и не выходит за рамки допустимой суммарной погрешности определения прибора. Т.е. обследование почвенного покрова на предмет его загрязненности исследуемыми токсикантами путем анализа образцов,

полученных при физическом смешивании, дает вполне достоверное представление о загрязнении в среднем площадки пробоотбора.

Таблица 5.

Сопоставление результатов измерения содержания органических токсикантоз в индивидуальных и смешанном образцах почвы на одной площадке пробоотбора.

Органический токсикант Кол - во индивидуальных образцов Коэффициент вариации,% Среднее содержание в индивидуальных образцах, мкг/кг почзы I Содержание в смешанном образце, мкг/кг почвы Отклонение от среднего, мкг/кг Отклонение от I среднего, % Суммарная погрешность измерения метода, %

Бензол 25 59 3524 3716 192 5 25

Толуол 25 78 2719 3012 293 10 25

Б(а)П 25 153 17 21,8 4,8 22 25

Во втором полевом эксперименте изучалась возможность сокращения количества индивидуальных проб, отбираемых с площадки пробоотбора и составляющих смешанный образец, Со стандартной площадки пробоотбора производился отбор двух типов смешанных образцов: состоящего из 5 и 25 индивидуальных образцов. Сравнение результатов определения содержания токсикантов в смешанных образцах двух типов, отобранных с одной площадки пробоотбора, показало, что:

- содержание бензола и толуола в образцах, состоящих из 5 индивидуальных завышено по срзвнению с образцами, состоящими из 25 индивидуальных образцов, для бекз(а)пирена такой закономерности отмечено не было.

- мода относительного отклонения результатов измерения в образцах, состоящих из 5 проб, с измерениями в образцах, состоящих из 25 проб

составляет для бензола 10% (межквартильный размах 6 - 14%), для толуола -11% (межквартильный размах 4 - 18%) и для бенз(а)пирена - 7% (межквартильный размах 3 - \вУч). Следовательно, упрощение схемы лробоотбора приводит к увеличению варьирования результатов, и на чтом основании нельзя рекомендовать сокращение количества индивидуальных проб с площадки пробоотбора.

ВЫВОДЫ

1. Пространственное распределение органических загрязняющих веществ в почвах зон аэрогенного влияния ряда химических предприятий Тульской области осложняется неустойчивостью этих загрязнителей в почвах, значительным влиянием локальных источников загрязнения, а также суточной, сезонной нестабильностью метеорологических условий. При обследовании по действующим методикам, в пределах 15-20 км от крупных промышленных производств не были выявлены зоны, ориентированные в соответствии с преобладающими направлениями ветров, и уровень загрязнения почв в которых убывает с расстоянием от источника (зона загрязнения, буферная и фоновая зоны).

2. Расположение и площади ареалов загрязнения почвенного покрова бенз(а)гшреном не было связано с расстоянием и направлением от рассматриваемых предприятий. Очевидно, влияние локальных факторов (пожары, работа котельных, АЗС) на уровень и площади загрязнения почвенного покрова бенз(а)1шреном было сопоставимо, а иногда и превышало влияние химических предприятий.

3. Сопоставление результатов исследования пространственного распределения толуола в почвах музея-усадьбы Л.Н. Толстого «Ясная

Поляна» в 1995 и 1997 гг. свидетельствует о значительной мобильности во времени и в пространстве контуров загрязнения почвенного покрова этим токсикантом. Однако, относительное постоянство объема и состава техногенных выбросов промышленных предприятий в указанные годы способствовала сохранению общего уровня загрязнения (количества загрязняющих веществ на единицу площади) почвенного покрова в пределах установленной в методических рекомендациях территории.

4. Изучение внутрипрофильного распределения промышленных органических поллютантов в серых лесных почвах и северных подтипах черноземов, а также по элементам мезорельефа показало:

-бенз(а)пирен преимущественно концентрируется в верхних частях поверхностных горизонтов почвы, исключение составляют водораздельные участки при активном латеральном выносе токсиканта;

-толуол имеет минимум накопления в поверхностных горизонтах почв водораздельных участков, так как в этом случае создаются наиболее благоприятные условия для его деградации.

5. Предложенные в работе синтетические карты экологической обстановки земель позволили связать консервативные экологические ландшафтные характеристики с мобильными показателями загрязнения почв органическими токсикантами «, таким образом, более достоверно, чем картосхемы загрязнения отдельными веществами, оценить степень экологического неблагополучия территории.

6. Результаты модельного опыта показали низкую устойчивость толуопа в образцах поверхностных горизонтов светло-серых и серых лесных почв региона обследования. При начальной концентрации толуола 100 ПДК содержание этого токсиканта вернулось к фоновому через 53 часа после начала опыта.

7. Неоднозначный характер связей между концентрацией <>¡>1 апических загрязняющих иещссгп в почвах и параметрами источников атмосферных выбросов районов исследований даеч основание рекомендовать при проведении крунко- ¡; срсдасмасгмгабпого картографирования загрязнения почв о!бор образцов по равномерной сетке, а не по румбам относительно главного источника загрязнения.

8. Проведенные полевые эксперимсти выявили необходимость использования при картографировании загрязнения почв органическими токсикантами отбора не индивидуальных, а смешанных образцов, а также недопустимость уменьшения количества составляющих их проб до £",

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Якунина И.В. «Лэротсхпогелное загрязнение черноземов лесостепи и его влияние на свойства почв» // Тезисы доклада ка международной конференции аспиранток и студентов но фундаментальным наукам «Ломоносов - 96», 12 апреля 1996г. С 34.

2.Якунина И.В. «Опыт картографирования территорий, загрязненных летучими органическими веществами антропогенной природа.» // Тезисы доклада на международной конференции «Проблемы антропогенного почвообразования», т 4. Москва. 1997г. С 159-161.

3. Якунина И.В. с соавторами. «Экспресс-анализ органических токсикантов в почвах музея-усадьбы J1.I1. Толстого «Ясная Поляна» и прилегающих территорий» // Вестник Московского ун-та, серия 17 почвоведение, 1999 №1. С 16-20.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Якунина, Ирина Владимировна, Москва

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Факультет почвоведения

На правах рукописи

Якунина Ирина Владимировна

Опыт исследования пространственного распределения техногенных органических токсикантов в почвах Окско-Донской провинции в пределах Тульской области.

Специальность 03.00.27 - почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -академик РАН Добровольский Г.В.

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7

1.1. Пространственное распределение аэрогенных токсикантов

в почвенном покрове и методы картографирования загрязнения почв. 7

1.1.1. Закономерности пространственного распределения аэрогенных токсикантов в почвах. 7

1.1.2. Карты химического загрязнения почв. 9

1.2. Свойства углеводородов как техногенных токсикантов. 14

1.2.1. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Бенз(а)пирен. 14

1.2.2.Моноциклические углеводороды. Толуол. 26 ГЛАВА 2.ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 30

2.1. Природные условия и экологическая обстановка в Тульской области. 30

2.1.1. Природные условия. 3 0

2.1.2. Экологическая обстановка. 3 3

2.2. Характеристика объектов исследования и методы исследования. 34 ГЛАВА 3. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛУОЛА И БЕНЗ(А)ПИРЕНА В ПОЧВАХ. 45 ГЛАВА 4. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛУОЛА И БЕНЗ(А)ПИРЕНА В ПРЕДЕЛАХ ПОЧВЕННОГО ПРОФИЛЯ И ПО ЭЛЕМЕНТАМ МЕЗОРЕЛЬЕФА. 59 ГЛАВА 5. СИНТЕТИЧЕСКИЕ КАРТЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ ЗЕМЕЛЬ В ЗОНАХ АЭРОГЕННОГО ВЛИЯНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ХИМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА. 68 ГЛАВА 6. МОДЕЛЬНЫЙ ОПЫТ ПО УСТОЙЧИВОСТИ ТОЛУОЛА В СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЕ. 78

ГЛАВА 7. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КРУПНО- И СРЕДНЕМАСШТАБНОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ЛЕТУЧИХ

ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ПОЧВАХ. 80

ВЫВОДЫ 85

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 88

ПРИЛОЖЕНИЯ 100

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Значительно возросшее за последние годы в Российской Федерации воздействие предприятий химического, нефтехимического, газового комплексов и автомобильного транспорта на все компоненты природной среды обусловливает необходимость тщательного изучения органических загрязняющих веществ (ОЗВ) в почвах промышленных агломераций и прилегающих к ним территорий. Известен целый ряд работ по изучению поведения ОЗВ промышленного происхождения в почвах (Израэль, 1984; Ровинский и др., 1988; Пиковский, 1993; Геннадиев, 1990 и др.). Однако, вопросы пространственного распределения этих загрязнителей в почвенном покрове были освещены в недостаточной степени и, возможно, поэтому не получили своего отражения в отечественных методиках картографирования загрязненности почв. Между тем, необходимость особых подходов при обследовании почв территорий, загрязненных ОЗВ, вытекает из специфики последних, заключающейся в их одновременной высокой токсичности и неустойчивости в окружающей среде. Кроме того, множественность путей образования ОЗВ в производственных циклах может приводить к уравниванию вкладов крупных промышленных предприятий и мелких источников, в том числе и непромышленных, в формирование определенного уровня загрязнения почв. Значение новых подходов к картографированию загрязненности почв органическими токсикантами особенно возрастает при проведении почвенно-экологического обследования регионов, подверженных значительному воздействию со стороны предприятий химического и нефтехимического комплекса. К таким регионам относится центр Русской равнины, и, в частности, Тульская область.

Цель исследований - путем крупно- и среднемасштабного картографирования загрязненности почвенного покрова оценить пространственное распределение техногенных органических

загрязняющих веществ в почвах Окско-Донской провинции в пределах Тульской области.

Поставленная цель определила следующие задачи:

1. Исследовать влияние ландшафтных факторов (мезорельефа, типа землепользования, расположения объекта исследования относительно источника загрязнения ) на пространственное распределение толуола и бенз(а)пирена в почвах.

2. Изучить характер распределения толуола и бенз(а)пирена в пределах профилей исследуемых типов почв.

3. По результатам исследования построить среднемасштабные синтетические карты экологической обстановки земель в зонах аэрогенного влияния предприятий химического комплекса.

4. Оценить устойчивость толуола в исследуемых типах почв в лабораторных условиях.

5. Учитывая относительную неустойчивость во внешней среде, а также множественность источников происхождения и специфику пространственного распределения органических веществ, внести методические предложения для целей картографирования загрязнения почв.

Научная новизна работы. Впервые установлено, что специфика свойств и происхождения органических токсикантов оказывает значительное влияние на их пространственное распределение в почвенном покрове, в результате чего становится практически невозможным выявление зон загрязнения в их классическом понимании.

Впервые в процессе эксперимента определена степень устойчивости толуола в поверхностных горизонтах серых и светло-серых лесных почв.

Даны методические рекомендации по картографированию загрязнения почв органическими токсикантами.

Практическое значение работы. В работе внесены предложения по методике картографирования загрязнения почвенного покрова ОЗВ, которые могут быть использованы при проведении обследования почвенного покрова территорий, подвергающихся техногенному загрязнению органическими токсикантами, а также при организации почвенно-экологического мониторинга.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на конференции молодых ученых МГУ в 1996 году и на Международной конференции "Проблемы антропогенного почвообразования" (Москва, 1997г). Работа рассматривалась на заседаниях кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.

Объем работы. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста, включает 24 таблицы и 18 рисунков. Она состоит из введения, 7 глав, выводов и приложений. Список литературы содержит 127 наименований на русском и иностранных языках.

ГЛАВА 1.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНОГО МАТЕРИАЛА. 1.1. Пространственное распределение аэрогенных токсикантов в почвенном покрове и методы картографирования загрязнения почв. 1.1.1. Закономерности пространственного распределения аэрогенных токсикантов в почвах.

К настоящему времени сложились основные представления о закономерностях пространственного распределения и, соответственно, о принципах средне- и крупномасштабного картографирования аэрогенных загрязняющих веществ в почвах в зонах влияния промышленных предприятий.

Промышленное загрязнение почвенного покрова происходит в результате сброса сточных вод в природные водоемы и, главным образом, выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Часть этих выбросов переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение (Карпачевский, 1993). Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Вторичное загрязнение, связанное с поступлением загрязняющих веществ с поверхности почвы, переносом их в атмосфере и выпадением вновь на поверхность земли является одной из причин загрязнения почв регионального и глобального масштабов (Бобовникова, Малахов, Махонько, 1978). Основная масса выбросов осаждается в непосредственной близости от источника загрязнения. Наиболее подробно изучен характер распределения тяжелых металлов в почвах вокруг крупных предприятий цветной металлургии, где формируются техногенные аномалии металлов (медно-никелевый комбинат в Садбери (Канада), Норильский горно-металлургический комбинат). Теоретически техногенные аномалии представляют систему концентрических колец, в которых концентрация поллютанта убывает от

центра к периферии (Влияние промышленных предприятий..., 1987). В реальной природной обстановке форма и размеры зон загрязнения существенно отличаются от теоретических; обычно наблюдается неплохая корреляция формы и размеров зон загрязнения с конфигурацией розы ветров (Лозановская, Орлов, Садовникова, 1998). Считается, что при прочих постоянных условиях (параметры источника выбросов, шероховатость подстилающей поверхности) влияние вредных выбросов на отдельные участки территории будет зависеть от повторяемости направления ветра (Колодко, Даценко, 1987). Размеры зон загрязнения зависят от мощности источника выбросов, розы ветров, интенсивности, продолжительности и высоты выбросов, рельефа, характера подстилающей поверхности, климатических факторов. Например, скорость ветровых потоков влияет на загрязнение единицы площади: чем больше скорость ветра, тем меньше выпадает поллютантов на единицу поверхности (Аммосова, Орлов, Садовникова, 1989). Зона максимального загрязнения почв атмосферными токсикантами находится в пределах расстояния, равного 10 - 40 - кратной высоте трубы. Радиус зоны загрязнения может составлять от нескольких до сотен километров. По многочисленным отечественным и зарубежным источникам, максимальное загрязнение почв, превышающее фоновые уровни на 1-3 порядка и более и максимальное воздействие на растительный покров отмечается в зоне радиусом около 3-5 км от источника выбросов. Причем максимальное воздействие выбросов может наблюдаться на некотором удалении от источника, а в непосредственной близости от него образуется так называемая «теневая зона», где воздействие выбросов меньше. Это характерно для очень высоких источников выброса, особенно с газообразными компонентами (Колодко, Даценко, 1987). Расчеты, проведенные Б. И. Кочуровым для республик СССР, показали, что усредненный радиус, определяющий зону загрязнения вокруг промышленного предприятия, для различных регионов неодинаков и

составляет 0,8 - 7 км. Величина радиуса зависит как от мощности предприятий и объема выбросов техногенных веществ, так и от природно-климатических условий. Для России этот усредненный показатель составляет 4 км. В зависимости от мощности предприятия и токсичности его выбросов радиус зоны "техногенной пустыни" составляет от ОД до 0,4 км (Кочуров,1987).

На пространственное распределение аэрогенных техногенных поллютантов в почвенном покрове заметное влияние оказывает способ их транспортировки в атмосфере, в частности размер капель или твердых частиц - носителей токсиканта в атмосферных аэрозолях (Щербаков, 1987).

После выпадения аэрозолей из загрязненной атмосферы на поверхность почвы происходит перераспределение загрязняющих веществ плоскостным ливневым стоком. При этом часто определяющую роль в формировании картины загрязнения территории играет поверхностный ливневый сток, из которого на поверхность почвы осаждаются твердые частицы потока с сорбированными на них поллютантами. Таким образом, содержание загрязняющих веществ в почве зависит также от положения участка обследования относительно путей наиболее загрязненных потоков. ("Геохимия полициклических ароматических углеводородов...", 1996).

1.1.2. Карты химического загрязнения почв.

Карта химического загрязнения почв - совокупность линий (изоконцентрат), нанесенных на картографическую основу, и соединяющих точки пробоотбора с одинаковым содержанием химического вещества в почве. Картографической основой могут служить земельные планы, контурные, топографические и тематические карты (почвенные, геоморфологические, агрохимические и др.). Содержание карты химического загрязнения почв - семейство изоконцентрат

индивидуального химического вещества (элемента) или изолиний показателя, характеризующего суммарное загрязнение почв (Стурман В.И., 1994).

Детальность карты химического загрязнения почв определяется ее практическим назначением и зависит от масштаба картографической основы и от количества проведенных на ней изоконцентрат. Точность карты химического загрязнения почв, определяется степенью соответствия проведенных на карте изоконцентрат фактическому содержанию загрязняющего вещества в почве, она определяется пространственной вариабельностью содержания поллютанта в почве, количеством точек пробоотбора, аналитической погрешностью метода, ошибками интерполяции при проведении изоконцентрат.

Большинство известных методических разработок по картографированию загрязнения опирается на вышеизложенные закономерности пространственного распределения тяжелых металлов в почвах техногенных аномалий ("Полевое обследование и картографирование уровня загрязнения почвенного покрова техногенными выбросами через атмосферу (Методические указания)", 1980; "Методические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами", 1981; "Методические рекомендации по выявлению деградированных и загрязненных земель", 1995).

В обобщенном виде основные принципы картографирования загрязнения почвенного покрова изложены в "Методических рекомендациях по выявлению деградированных и загрязненных земель Минприроды России, Роскомзем, Минсельхозпрод России" (1996). Согласно этому документу, на первом рекогносцировочном этапе картографирования схема размещения мест пробоотбора определяется типом источника загрязнения и характером пространственного

распределения загрязняющих химических веществ в почвах обследуемой территории:

- если источник загрязнения точечный, путь поступления загрязняющих химических веществ воздушный и предполагается прямопропорциональная связь между уровнем загрязнения и расстоянием до источника, то целесообразно отбирать образцы почв по 4-8 направлениям (румбам) от предприятия, располагая точки пробоотбора более часто вблизи промпредприятия и с большими интервалами на удалении от него. Частота и дальность пробоотбора зависят от мощности источника и природно-климатических условий района. В целом рекомендуется пробоотбор по румбам через 0,5; 1; 2; 4; 8; 16 км;

- если источник загрязнения линейный, путь поступления загрязняющих химических веществ воздушный, то размещать точки необходимо вдоль источника по линиям, также уменьшая количество точек с расстоянием от него, располагать линии пробоотбора рекомендуется на расстоянии 0,1; 0,2; 0,5 км ;

- если приоритетным загрязняющим химическим веществом является жидкость (нефть и нефтепродукты), система отбора образцов строится в зависимости от сложности ландшафта, геохимической и гидрологической обстановки. Точки пробоотбора объединяются в систему профилей, располагающихся в направлении движения поверхностного стока от места разлива до места промежуточной или конечной аккумуляции;

- в случае, когда на обследуемой территории нет ярко выраженных точечных источников загрязнения (или имеется много источников, влияние которых перекрывается), а также при площадном источнике загрязнения (свалки, полигоны и т.п.) лучше использовать отбор проб по равномерной разреженной сетке (размер ячейки - от 1x1 до 5x5 км).

На втором этапе картографирования независимо от того, является ли источник загрязнения точечным или площадным, пробоотбор проводят

по равномерной случайно-упорядоченной сетке (рекомендуемый размер ячейки 1x1 км). Такой пробоотбор в значительной степени облегчает применение методов интерполяции полученных аналитических данных и построение изолиний по уровням содержания загрязняющих химических веществ, а также позволяет правильно рассчитать площади загрязнения.

И на первом, и на втором этапах - рекомендуется отбор не индивидуальных, а смешанных поверхностных образцов, причем количество индивидуальных проб на одной площадки пробоотбора должно быть не менее 15, а размеры этой площадки - не менее 10м х 10м.

Изолинии, соединяющие точки с одинаковыми значениями проводятся в соответствии с градациями по уровню загрязнения.

Интерполяцию данных и выделение контуров почв разной степени загрязненности проводят вручную, распространяя полученные результаты определения загрязняющего химического вещества на ключевом участке на всю площадь ячейки сетки, или с использованием различных комплексов программ для компьютеров (Сербенюк С.Н., Мусин О.Р., 1986, Webster R., Oliver М. А., 1990). Для интерполяции пространственных данных используются различные математические методы:

1.) Метод сглаживания усредняет значения концентрации в нескольких соседних экспериментальных точках вокруг заданной, затем этим средним заменяется экспериментальное значение в этой точке. В результате разброс между соседними точками уменьшается, и увеличивается количество точек с близкими значениями концентраций. Это позволяет проводить изо