Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Поступление и распределение тяжелых металлов в пределах охраняемых природных комплексов Владимирской Мещеры

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата химических наук, Печников, Андрей Валентинович, Москва

4 / /"/» /V"

' ¿¿Г ¿¿г ч** ■

? О'*? С^.'С

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

на правах рукописи

ПЕЧНИКОВ АНДРЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ПОСТУПЛЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ

МЕТАЛЛОВ В ПРЕДЕЛАХ ОХРАНЯЕМЫХ ПРИРОДНЫХ КОМПЛЕКСОВ ВЛАДИМИРСКОЙ

МЕЩЕРЫ

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель

кандидат химических наук доцент Т.В. Гусева

Москва -1999 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

Условные обозначения и сокращения............................................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................................................5

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................................................................6

1.1. Система охраняемых природных территорий РФ......................................................................6

1.1.1. Национальные парки........................................................................................................................................7

1.2. Тяжелые металлы. Неопределенность понятия............................................................................11

1.2.1. Неопределенность понятия "тяжелый"............................................................................................11

1.2.2. Неопределённость понятия "металл"..................................................................................................12

1.2.3. Связь понятий "тяжелый металл" и "токсичность"................................................................13

1.3. Подходы к определению регионального порядка

приоритетов в ряду тяжелых металлов....................................................................................................15

1.3.1. Тяжелые металлы в ряду других элементов....................................................................................15

1.3.2. Показатели вовлеченности тяжелых металлов в техногенез..........................................17

1.4. Характеристика Владимирской Мещеры ..............................................................................................21

1.4.1. Географическое положение..............................................................................................................................21

1.4.2. Геологическое строение, рельеф ................................................................................................................23

1.4.3. Водно-болотные комплексы..........................................................................................................24

1.4.4. Почвы..................................................................................................................................................................................26

1.5. Изученность вопроса загрязнения тяжелыми металлами

территории Владимирской Мещеры............................................................................................................27

1.5.1. Воздух и атмосферные осадки......................................................................................................................28

1.5.2. Водоемы и водотоки................................................................................................................................................34

1.5.3. Почва и растительность........................................................................................................................................37

1.6. Задачи научно-исследовательской работы и положения,

выносимые на защиту..................................................................................................................................................41

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ........................................................................................................................42

2.1. Оценка вклада приоритетных источников и путей поступления ТМ..............................42

2.2. Выбор приоритетных тяжелых металлов..................................................................................................50

2.3. Атмосферный воздух....................................................................................................................................................57

2.3.1. Дисперсность и фазовое состояние примесей в выбросах....................................................57

2.3.2. Процесс выведения аэрозолей из воздуха.............................................. 81

2.3.3. Выбор оптимальных методов наблюдения за источниками

загрязнения воздушной среды.......................................................... 86

2.3.4. Накопление свинца и мышьяка элементами биоты.................................. 91

2.4. Почвенный покров............................................................................. 98

2.4.1. Валовое содержание ТМ в поверхностном слое почвы.............................. 98

2.4.2. Подвижность ТМ в почве.................................................................. 105

2.5. Влияние гумусовых соединений на процессы аккумуляции и

миграции тяжелых металлов в окружающей среде...................................... 120

2.5.1. Выбор метода получения препаратов ГК и ФК....................................... 123

2.5.2. Характеристики комплексообразования тяжелых металлов

с гуминовыми веществами...................................................................135

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ........................................................... 144

3.1. Реактивы и материалы........................................................................ 144

3.2. Методики экспериментов..................................................................... 144

3.2.1. Выделение минеральных форм мышьяка почв........................................ 144

3.2.2. Методика использования стационарных поглотителей..............................146

3.2.3. Подготовка к анализу биологических образцов,

почв и донных отложений................................................................. 147

3.2.4. Атомно-абсорбционное определение тяжелых металлов........................... 148

3.2.5. Получение препаратов гумусовых соединений.........................................149

3.2.6. Получение ИК-спектров препаратов ЕК................................................. 151

3.2.7. Определение констант устойчивости комплексов ЕК................................ 151

3.2.8. Определение элементного состава препаратов ЕК.................................... 152

ВЫВОДЫ............................................................................................. 153

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................... 154

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................168

Условные обозначения и сокращения

АА - атомная абсорбция;

АОРД - аллювиальные отложения речных долин:

БЗ - биосферный заповедник:

ГВ - гумусовые вещества:

ГИС - государственный институт стекла:

ГК - гуминовые кислоты:

ДО - донные отложения:

ДПП - дерново-подзолистая почва;

ЗВ - загрязняющее вещество:

3-д - завод:

И К - инфракрасный

МТД - модуль техногенного давления;

НП - национальный парк;

ОПТ - охраняемая природная территория;

ОС - окружающая среда;

ПДК - предельно допустимая концентрация:

ПО - предел обнаружения:

СЗ - стекольный завод;

СЛП - серые лесные почвы:

ТМ - тяжелый металл;

ФК - фульвокислоты;

- определение не представляется возможным в связи с полным отсутствием или недостаточным для анализа количеством и с с л еду е м о го м ате р и ал а: н о - ниже предела обнаружения;

ВВЕДЕНИЕ

Во многих работах, посвященных мониторингу химических загрязняющих веществ (ЗВ) в объектах окружающей среды (ОС), тяжелые металлы (ТМ) часто выступают в качестве приоритетных поллютантов. В настоящее время наиболее обстоятельно изучено загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами в пределах природных геохимических аномалий, а так же в районах расположения крупных предприятий машиностроительной, металлургической и энергетической отраслей промышленности. В других случаях проблема определения региональных приоритетов и установления реальной картины распределения ТМ далека от решения и в каждом случае имеет свою специфику.

В особенно противоречивой ситуации находятся охраняемые природные территории, расположенные в регионах с выраженным техногенным давлением однотипных производств, традиционно не считающихся типичными загрязнителями ОС соединениями ТМ (торфопроизводство, стекловарение, сельское хозяйство и т.п.). В то же время известно, что риск устойчивого загрязнения ОС в таких регионах значительно возрастает. Примером такой охраняемой природной территории может служить национальный парк (НП) "Мещера" (Владимирская область), который является территорией ограниченного хозяйственного использования.

При этом, согласно российским законодательным актам в НП необходимо совмещать решение задач мониторинга загрязняющих веществ, в том числе и ТМ, поступающих от предприятий, расположенных в НП, с задачами охраны ОС в соответствии с требованиями функционального зонирования территории. Актуальность такой работы подтверждается разделом 3.2.1 Федеральной целевой программы поддержки государственных природных заповедников и ВНП, утвержденной Указом Президента № 1032 от 10.10.95 г., а таюке техническим заданием Федеральной службы лесного хозяйства РФ по подготовке "Схемы организации и развития национального парка "Мещера" Владимирской области".

Целью работы явилось установление основных закономерностей поступления и распределения ТМ в пределах охраняемых природных комплексов Владимирской Мещеры (национальный парк "Мещера", заказник "Баринова роща" и водно-болотные комплексы малых рек).

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Система охраняемых природных территорий РФ

Указом Президента РФ от 2.10.1992 г. № 1155 "Об особо охраняемых природных территориях Российской Федерации"[1] установлено, что сохранение и развитие особо охраняемых природных территорий (ОПТ) является одним из приоритетных направлений государственной экологической политики РФ.

Согласно Реймерсу [2] под ОПТ понимают участки, полностью или частично, постоянно или временно исключенные людьми из интенсивного хозяйственного оборота и предназначенные для сохранения экологического равновесия, поддержания среды жизни человечества и его здоровья, охраны природных ресурсов, ценных естественных и искусственных объектов и явлений, имеющих историческое, хозяйственное или эстетическое значение.

По современным представлениям схема развития каждого региона должна предусматривать сохранение (или создание) так называемого "природного каркаса", - ранжированной по степени экологического значения системы переходящих друг в друга участков природы, неразрывная взаимосвязь которых создает предпосылки для формирования естественного экологического равновесия, способного противостоять антропогенным воздействиям [3]. Природный каркас обычно проектируется в виде пространственной ячеистой сетки, охватывающей всю рассматриваемую территорию. В его рамках выделяются площади с различным режимом использования и степенью природной сохранности, в том числе и ОПТ.

□ прочие ОПТ 1928495 тыс. га

□ заказники 147075 тыс. га

■ заповедники и НП 32357 тыс. га

91%

Рис. 1.1. Соотношение между формами ОПТ России [5]

К моменту утверждения в 1995 году Федеральной целевой программы государственной поддержки государственных природных заповедников и национальных парков

[4] в России существовали 88 заповедников общей площадью 28854 тысяч га (83 - в ведении Министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов и 5 - в системах РАН. Госкомвуза и других ведомств) и 28 национальных парков общей площадью 6444 тыс. га (26 из них - в подчинении Рослесхоза). Именно эти объекты (рис. 1.1). занимающие около 1.8 % территории РФ [5]. наряду с заказниками и некоторыми другими малыми ОПТ составляют прообраз экологического каркаса территории.

1.1.1. Национальные парки

Как отмечено выше. НГ1 представляют собой самую молодую форму ОПТ в России. Основные задачи их создания соответствуют положениям 1UCN (Intrnatiional Union for Conservation of Nature) для категории объектов ограниченного хозяйственного использования [6]. Важно, что МП относятся к объектам федеральной собственности и подавляющее большинство их находится в ведении службы лесного хозяйства России.

Согласно руководящим документам [7-^9] к основным задачам, поставленным перед НП. отнесены: (а) сохранение природных комплексов, уникальных и эталонных природных участков и объектов: (б) сохранение историко-культурных объектов: (в) экологическое просвещение населения: (г) создание условий для регулируемого туризма и отдыха: (д) восстановление нарушенных природных и историко-культурных комплексов и объектов: (е) разработка и внедрение научных методов охраны природы и экологического просвещения: (ж) осуществление экологического мониторинга. При исследовании загрязнения ОС на территории НГ1 особенно важны последние две задачи.

В мировой практике различают два основных типа НП: североамериканский и европейский. Основные характеристики этих типов НП приведены в приложениях 1 и П. Основным отличием европейских НП является предоставление условий для рекреации и отнесение охранных функций на второй план. Многие российские НП. особенно в центральной части страны, вынуждены сочетать характерные признаки обоих типов парков, в частности, необходимость сохранения традиционных видов использования природных ресурсов при наличии на территории НП зон заповедного режима.

Проблемы, связанные с ограничением хозяйственного использования

В соответствии со статьей 15 Закона [7]. на землях, включенных в границы национального парка без изъятия их хозяйственной эксплуатации, запрещаются расширение и

строительство новых хозяйственных объектов, любая деятельность, которая может нанести ущерб природным комплексам и объектам растительного и животного мира, культурно-историческим объектам, и которая противоречит целям и задачам национального парка [9|. К запрещенным отнесены так же разведка и разработка полезных ископаемых, деятельность, влекущая за собой изменения гидрологического режима, эксплуатация хозяйственных объектов, не связанных с функционированием НП.

Важным представляется вопрос, связанный с ведением хозяйственной деятельности. размещением выбросов и сбросов ЗВ. твердых отходов на гак называемых "'включенных землях" - участках территории, расположенных в границах ОПТ. но не принадлежащих национальном}' парку. Вопросы соблюдения "на включенных землях" экологических нормативов официально не входят в компетенцию администрации национальных парков, в то время, как проблемы охраны природных комплексов НП часто выступают как следствие загрязнения поверхностных и грунтовых вод. атмосферного воздуха, мелиорации (в том числе, и химической) сельскохозяйственных и лесных земель. Функциональное зонирование в таких случаях выступает лишь как уступка сложившимся реалиям хозяйственного использования [10].

Положение усугубляется, как правило, затрудненным обменом информацией между органами Государственного комитета по охране окружающей среды и Министерства природных ресурсов, осуществляющими управление природопользованием в регионах. а гак же администрациями НП. находящимися в подчинении Федеральной службы лесного хозяйства.

Проблемы проведения научно-исследовательской работы

В отношении научных исследований НП находятся в значительно более сложном положении. чем государственные природные заповедники. Исторически заповедники формировались как специализированные научно-исследовательские организации природоохранного направления, закрытые для посетителей [11]. Биосферные заповедники (БЗ) стали опорными точками программы MAB (Человек и биосфера) и центрами фо-I нового экологического мониторинга [12].

Очевидно, что НП. созданные преимущественно на базе бывших лесхозов, не имеют реальных ресурсов для осуществления экологического мониторинга и научных исследовании в целом. Лишь небольшой ряд национальных парков, ставших полигона-

ми научно-исследовательских институтов РАН. уже приобретших мировую известность и зарубежных партнеров (такие, как "Паанаярве". "Сочинский". "Лосиный остров"". "Смоленское поозерье") имеют некоторые преимущества [13].

В остальных НП ведение работ по экологическому мониторингу основывается лесопатологическпми наблюдениями, обычными для лесхозов. Исходя из определения экологического мониторинга, данного Израелем [14]. становится очевидной необходимость организации наблюдений не только за состоянием лесов в НП. но и за хозяйственными объектами, за факторами воздействия, как в импактных. гак и в буферных и фоновых зонах.

В связи с объективными сложностями развития Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ) при насущной потребности в объективных сведениях ряд региональных комитетов по охране природы совместно с администрациями НП предпринял в последнее время попытки организовать собственные системы наблюдений как за состоянием окружающей среды, так и за источниками воздействия.

Так. Владимирский областной комитет заказал разработку концепции системы мониторинга специалистам-теоретикам из организации "Мещера-гЖО" и ЛАМ Росгидромета [15]. Рязанский областной комитет, напротив, ставит во главу угла вопрос создания независимой, хорошо укомплектованной лаборатории для выполнения аналитических работ (в первую очередь, по оценке качества воды) без традиционной пересылки проб в Нижегородский центр Росгидромета [16]. Примечательно, что почти все разнообразие локальных и региональных подходов объединяет стремление измерять как можно больше параметров во всех средах и вести компьютерный банк данных.

Наиболее характерный пример - концепция системы мониторинга, разработанная Международным институтом леса для НП "Лосиный остров" [17]. Этот документ содержит рекомендации гю наблюдению за распределением на охраняемой территории 32 элементов, отнесенных по различным классификациям к разряд) тяжелых металлов (ТМ). Каких-либо объяснений целесообразности регулярного измерения концентраций именно тантала, пгтрпя. вольфрама и других раритетов, кроме, аппарату рных возможностей организации-разработчика, не приводится. В то же время, в данной �