Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние производства фосфорных удобрений на содержание стронция в ландшафтах

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние производства фосфорных удобрений на содержание стронция в ландшафтах"

На правах рукописи

Петренко Дмитрий Владимирович

ВЛИЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ФОСФОРНЫХ УДОБРЕНИЙ НА СОДЕРЖАНИЕ СТРОНЦИЯ В ЛАНДШАФТАХ

Специальность 03.02.08 — экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 1 ФЕВ 2014

Москва 2014

005545380

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Белюченко Иван Степанович

Официальные оппоненты: Фомичев Юрий Павлович, доктор биологических

наук, профессор, ГНУ «Всероссийский институт животноводства» РАСХН, заведующий химико-аналитической лабораторией

Евтюхин Владимир Федорович, доктор биологических наук, ООО «Мещёрский Научно-Технический Центр», технический директор

Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский

институт Биологической защиты растений» РАСХН

Защита состоится 25 марта 2014 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.01 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу: 143900, Московская область, г. Балашиха, ул. Юлиуса Фучика, д.1, сайт Ьйр/Лулулу.щаги.ги/.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»

Автореферат разослан 24 января 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук

Сойнова О.Л.

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами предприятиями по производству фосфорсодержащих удобрений вызвано их присутствием в виде балластных элементов в фосфатном сырье, выпускаемой продукции и отходах производства (фосфогипс) (Баева, 1988). Среди тяжёлых металлов значительное место в фосфатном сырье и производимых минеральных удобрениях занимает стронций: Ковдорский апатит - 2550 мг/кг, аммофос -199 мг/кг, сульфатаммофос -102 мг/кг, фосфогипс - от 2713-6500 мг/кг.

В организм животных стронций поступает в виде растительной пищи (Виноградов, 1960; Фомичев, 2000) и с потребляемой водой (Добровольский, 1998). При избыточном поступлении стронция в организм возникает «стронциевый» рахит («уровская болезнь») и проявляется общетоксическое действие (Ковальский, Засорина, 1965).

Именно вероятность загрязнения стронцием ландшафтов, окружающих предприятие по производству фосфорсодержащих удобрений (ОАО «Еврохим-БМУ»), и возможное негативное воздействие на человека и животных этого элемента обусловило выбор темы наших исследований.

Цель работы — изучить влияние производства фосфорсодержащих минеральных удобрений (ОАО «Еврохим-БМУ») на содержание стронция в прилегающих ландшафтах. Выполнение этой цели осуществлялось решением следующих задач:

1. Изучение физических и химических характеристик почв ландшафтов, прилегающих к производству фосфорных удобрений.

2. Оценка загрязнения стронцием почв ландшафтов, прилегающих к производству фосфорных удобрений.

3. Определение влияния производства фосфорных удобрений на содержание стронция в растениях.

4. Определение влияния производства фосфорных удобрений на загрязнение ближайших водных объектов.

5. Выявление проблем охраны почв при производстве фосфорных удобрений.

Научная новизна работы. В работе выполнено комплексное исследование загрязнения стабильным стронцием ландшафтов, прилегающих к предприятию по производству фосфорных удобрений. Установлена зона прямого влияния данного предприятия на содержание стронция в почвах: 1100-3600 м от границы предприятия. Отличительной чертой данной работы является оценка загрязнения стронцием компонентов ландшафта с учётом его соотношения с кальцием -наиболее чувствительный показатель. Установлено профильное распределение стронция в исследованных почвах (чернозем выщелоченный слитой и аллюви-ально-луговые насыщенные почвы). Рассчитано отношение кальций/стронций для продовольственных и кормовых культур; подтверждена биогенная природа аккумуляции стронция в горизонте А. Приведены данные о степени загрязнения различных компонентов природной среды: почвы, растительность, поверхност-

ные и подземные воды, донные отложения.

Практическая значимость работы. Проведённые исследования позволяют: оценить влияние производства фосфорных удобрений на содержание стронция в компонентах ландшафтов, прилегающих к предприятию; дать оценку гигиенической безопасности продуктов растениеводства и воды с позиции содержания в них стронция, в т.ч. установить возможность развития у населения данной местности «стронциевого рахита» («уровской болезни»). Полученные результаты могут быть использованы при проведении государственного экологического контроля данного предприятия, а также для создания методологии контроля за

источниками загрязнения окружающей среды.

Положения, выносимые на защитуЛ. Влияние предприятия по производству фосфорных удобрений на содержание стронция в почве окружающих ландшафтов; 2. Содержание стронция в растительности (в т.ч. в сельскохозяйственных культурах) окружающих ландшафтов; 3. Содержание стронция в водных

объектах изучаемых ландшафтов.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научных семинарах и конференциях на заседаниях кафедры общей биологии и экологии Кубанского государственного аграрного университета в 20052013 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, из которых 4 в журнале, реферируемом Высшей аттестационной комиссией.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка использованной литературы. Общий объём работы 159 страниц машинописного текста, включая 34 таблицы и 16 рисунков. Список используемой литературы включает 156 источников, из них 10 - на иностранных языках.

2. Состояние изученности вопроса

В главе рассмотрены химические свойства стронция, его содержание в горных породах, почвах, растениях, поверхностных и подземных водах), даны, выявленные к настоящему времени, закономерности его поведения в различных компонентах биосферы. Также рассмотрено производство фосфорных удобрений как потенциальный источник поступления данного элемента в окружающую среду, указано содержание стронция в природном фосфатном сырье, минеральных удобрениях и отходах их производства.

3. Объект и методика проведения исследований

Объект исследования. Предприятие по производству фосфорных удобрений - Белореченский химический комбинат по производству удобрений (ОАО «Еврохим-БМУ») - расположено в 8 км к западу от города Белореченска (Белореченский район Краснодарский край) на отведенной площадке промышленной зоны. Предприятие занимается производством серной кислоты, олеума, фосфорной кислоты/сложных минеральных удобрений, аммофоса, жидких комплексных удобрений и кормовых обесфторенных фосфатов с июля 1977 года. Белореченский химкомбинат по выделению вредных веществ относится к

I классу (размер СЗЗ — 1 км).

Природные условия. Средняя годовая температура воздуха составляет +10,4°С. Среднегодовая сумма осадков - около 700 мм. Неустойчивы осадки в мае, августе и сентябре, когда нередко наблюдаются засушливые периоды большой продолжительности. Преобладают восточные и северо-восточные направления ветров.

Наибольшую площадь на изучаемой территории занимают чернозёмы выщелоченные слитые и аллювиально-луговые насыщенные почвы. Среди черноземов выщелоченных слитых преобладают малогумусные (4-6%) и слабогумус-ные (2-4%), мощные и сверхмощные. Характерной особенностью почвенного профиля является наличие слитого горизонта АВу, расположенного ниже гуму-сово-аккумулятивного и практически лишённого корней растений.

Среди аллювиально-луговых насыщенных почв преобладают слабогумус-ные (2,3-2,6%), мощные.

Территория Белореченского района расположена в лесостепной зоне, в предгорной части Западного Предкавказья, с преобладанием разнотравно-злаковых степей, большинство которых в настоящее время антропогенно преобразованы (пастбища, поля, сады).

На изучаемой территории протекают р. Белая (приток р. Кубань), р. Пшеха (приток р. Белая), р. Пшиш, более мелкие притоки р. Белая: реки Ганжа-1, 2, 3.

Методика проведения исследований. Изучение влияния производства фосфорных удобрений на содержание стронция в окружающих ландшафтах проводилось в период с 2005 по 2007 годы. Исследование прилегающей к заводу территории выполнено по векторной схеме с выделением направлений трансект: северная (1), западная (2), юго-западная (3), южная (4), восточная (5), северовосточная (6). Первая точка располагалась в 100 м от ограждения предприятия. Длина трансекты составляет 10 км (исключение западная трансекта - 5,5 км). Отбор проб по этой схеме осуществлялся весной, летом и осенью 2005 года, летом 2006 года, весной, летом и осенью 2007 года. Для изучения распределения валового содержания стронция по почвенному профилю в августе 2005 года было заложено по трансектам 12 разрезов на различном удалении от предприятия (1 и 5 км). Пробы почвы отбирались методом конверта. В 2007 году в точках отбора проб почвы были отобраны пробы растений: злаковое разнотравье и сельскохозяйственные культуры.

Для изучения влияния производства фосфорных удобрений на содержание стронция в водных системах летом 2005 года и осенью 2007 года, был произведён отбор проб воды и донных отложений в близлежащих водных объектах. Для изучения возможного загрязнения стронцием грунтовых вод исследуемой территории осенью 2007 года были отобраны пробы воды из контрольных скважин площадок шламонакопителей. Всего отобрано и проанализировано более 900 проб почвы, 12 проб воды (в т.ч. 2 пробы грунтовой воды), 10 проб донных отложений и более 300 проб растительности.

Подготовка и анализ проб осуществлялись согласно аттестованным методикам выполнения измерений. Анализ концентрации подвижных форм стронция

и кальция в почве, донных отложениях и фосфогипсе производился экстрагированием из почвы 1 М раствором азотной кислоты (рН=0,4) с последующим исследованием вытяжки методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС) на спектрометре «Квант-2А» с атомизацией пробы в пламени ацетилен - воздух (МУ по определению тяжёлых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. Москва: ЦИНАО, 1992). Валовое содержание стронция в почве и донных отложениях определялось на приборе «Спектроскан Макс G», согласно методике выполнения измерений массовой доли металлов и оксидов металлов в порошковых пробах почв методом рентгенофлуоресцентного анализа (Свидетельство об аттестации МВИ № 2420/69-2004). Содержание стронция и кальция в растениях определялось методом ААС на спектрометре «Квант-2А» с атомизацией пробы в пламени ацетилен - воздух, в соответствии с МУ по определению тяжёлых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства (Москва: ЦИНАО, 1992), экстрагированием стронция 20 мл 50-процентоного раствора азотной кислоты из озолённой пробы. Содержание стронция в воде определялось методом ААС на спектрометре «Квант-2А» в пламени ацетилен - воздух.

Полученные результаты были подвергнуты статистической обработке с применением программных пакетов MS Office Excel и Statistika 6.0. Все статистические оценки выполнены на 5% уровне значимости (р = 0,05).

4. Результаты исследований и их обсуждение

4.1. Показатели загрязнённости стронцием поверхностного слоя почвы

Исследования влияния производства фосфорных удобрений на содержание стронция в ландшафтах проводились весной, летом и осенью 2005-2007 годов. Для более детального анализа полученных данных нами был выбран весенний сезон 2007 года, - как наиболее близкий к среднегодовым значениям погодных условий.

Показатели загрязнённости почв стронцием по трансектам и удалению от предприятия. Для выявления распределения валового содержания, подвижных форм, коэффициента подвижности стронция и отношения кальций/стронций в районе предприятия по производству фосфорных удобрений были проанализированы их значения с учётом направления и удаления от предприятия (табл. 1).

В результате исследований выявлена зона прямого влияния предприятия на содержание стронция в почве ландшафта: 3600 м - в северном направлении, 2600 - в западном, 1600 - в юго-западном, 1100 - в южном, 1600 - в восточном, 1600 — в северо-восточном. В пределах этой зоны отмечено повышение валового содержания и подвижной формы стронция, увеличение его коэффициента подвижности и снижение отношения кальций/стронций.

Таблица 1

Валовое содержание (вг V), концентрация подвижных форм (вг ш), коэффициент подвижности (вг т/ вг V) стронция и отношение кальций/стронций (Са ш/8г т) в почвах (по трансектам)

Показатель Трансекты Среднее значение

Северная Западная Юго-западная Южная Восточная Северовосточная

Эгу, мг/кг 108.9-146,5 107,0-148.9 101.0-177.4 105.9-144.8 124,0-240,2 120,1-163.8 101.0-240.2

130,1 ±2,2 125,6±3,8 119,9±3,8 1 !4,9±2,2 149,4±5,6 141,2±2,7 130,7±1,8

8г т, мг/кг 15.2-36.0 28,3±1,7 15,5-36,0 24,2±1,9 15.7-29.4 20,7±1,0 15.3-40.2 19,7±1,2 10.5-74,9 29,5±2,8 18,0-38.8 29,2±1,2 10.5-74.9 25,5±0,8

Эг т/ Эгу 0.13-0,28 0,022±0,01 0,14-0.26 0,19±0,01 0.14-0.23 0,17±0,01 0.14-0.28 0,17±0,01 0,08-0,31 0,20±0,01 0,14-0.25 0,21±0,01 0.08-0,31 0,19±0,004

Сат/ вгт 132-272 181±9 148-228 192±8 150-244 213±7 164-261 228±5 146-712 269±32 157-248 191±5 132-712 214±7

Примечание: в числителе - диапазон значений; в знаменателе - среднее значение со стандартной ошибкой среднего значения.

Увеличение зоны влияния в северном направлении, вопреки отсутствию в районе исследований продолжительных южных ветров, вызвано наличием здесь дополнительного неорганизованного источника поступления стронция в окружающую среду - шламохранилища (отвалы фосфогипса) (рис. 1).

330 272

■ . 249 Лч 236 /V

1S0I 130 1 80 f ' ш 186 189 1S8 ,8, 188 188 -»____.---^O74 1 m . .

147 148 132 138 140 13=/"

0 132 138 136 138 136 ^„ГГ" -------— ¡(15.4118-310R q113 4122.4 3S,et37.2130i11'le'b 133 131.7132,2136 9

)0 бЬо 1101) 16Ш> 24 DU ЖШ) ai ио зьи ЧВС БХЗ 144 UU 4b(JU МШ) SBUU SI OiJ ЧВС 6BUU Лии /l)OUB10U8BUU91UULJbUU 10 II AJIH расстояние от предприятия, м

| -валовое содержание стронция, мг/кг —«— отношение кальций/стронци^

Рис. 1. Графики распределения валового содержания стронция и отношения кальций/стронций

(северная трансекта):

Примечание: ЧВС - чернозёмы выщелоченные слитке; ЧВС БХЗ - чернозёмы выщелоченные слитые в зоне прямого воздействия предприятия (БХЗ); АЛН - аллювиальные насыщенные почвы;

УРБО - урбозёмы.

Влияние предприятия на содержание стронция в почвах чётко отражается и в валовых запасах элемента в слое 0-0,2 м на различном удалении от предприятия: 100 м - 393 кг/га, 600 м - 352 кг/га, 1100 м - 349 кг/га, 2100 м - 330 кг/га, 10100 м-302 кг/га.

Выявленный характер распределения показателей стронция в почве свидетельствует о существенном влиянии природных факторов, а также влиянии антропогенной деятельности, несвязанной с производством удобрений (например, функционирование урболандшафта) (рис. 2).

ЧВС БХЗ

Ч В

Х-

АЛН

УРБО

расстояние от предприятия, м

-валовое содержание стронция, мг/кг -»—отношение кальций/стронций

Рис. 2. Графики распределения! валового содержания стронция и отношения кальций/стронций (восточная трансекта)

Таким образом, выявленные пространственные особенности содержания стронция (включая отношение кальций/стронций) в районе расположения предприятия по производству фосфорных удобрений свидетельствуют о воздействии данного объекта на почвы окружающего ландшафта, однако последствия этого воздействия в настоящее время несущественно превышают естественные различия между почвами разных типов (чернозёмы и аллювиально-луговые почвы) на данной территории.

Показатели загрязнённости стронцием поверхностного слоя почв района. Исследуемая территория имеет неоднородный почвенный покров, представленный чернозёмом выщелоченным слитым, аллювиальными луговыми насыщенными почвами и урбозёмами (г. Белореченск, ст. Пшехская и др.). Кроме того, в отдельную группу нами были выделены чернозёмы выщелоченные слитые, подверженные существенному антропогенному воздействию в результате деятельности предприятия по производству фосфорных удобрений (ЧВС БХЗ) (рис. 3).

условные обозначения

р^";. чсрло.^мы шщслцчшшс слитый

черишёмы выщелоченные слпш и 'лице РууЯ н&кк-реляжтюю вотлсйстад предприми ириштиству фосфорных уж'СрепнИ

I — - I нллмннатьные луговые - ПиСЫЩСИНМС ПОЧВЫ

насыщенные 11 урбшемы! урбпкнгшпемы)

территория (МО "Еврохны-БМУ (включая карты шланонакопнтепя)

Рис. 3. Распространение выделенных почвенных групп в районе исследования (с учетом загрязненности стронцием)

Среди выделенных нами почвенных группировок, в чернозёмах выщелоченных слитых («фоновых») выявлены наиболее благоприятные значения показателей, характеризующих загрязнение почв стронцием (табл. 2). Валовое содержание элемента (114мг/кг) во много раз ниже условной ОДК (600 мг/кг). Среднее значение валового запаса стронция в слое 0-0,2 м составляет 296 кг/га. Отношение кальций/стронций (229) характеризуется оптимальными с биогеохимических позиций значениями.

В чернозёмах выщелоченных слитых в зоне прямого воздействия предприятия (до 1100-3600 м в зависимости от направления) обстановка в отношении загрязнения стронцием является менее благоприятной (табл. 2).

Таблица 2

Валовое содержание, подвижные формы, коэффициент подвижности стронция и отношение

Почва Эг V, мг/кг Бг т, мг/кг вг ш/Бг V Са т/Эг т

Чернозём выщелоченный слитой 101.0-128.3 113,9±1,0 15.2-30.8 18,3±0,3 0.13-0.24 0,16±0,003 173-272 229±3

Чернозём выщелоченный слитой (в зоне прямого влияния предприятия) 119.4-143.0 132,8±1,4 22.6-34.3 28,1±0,9 0.17-0.29 0,21±0,01 132-208 162±5

Аллювиально-луговые насыщенные 128,6-163.5 141,4±1,7 26.8-38,8 33,4±0,6 0.19-0.28 0,24±0,004 165-202 184±2

Урбозёмы 136.2-240.2 167,8±12,6 10.5-74.9 25,5±7,4 0.08-0.31 ■ 0,14±0,3 166-712 412+61

Примечание: в числителе - диапазон значений; в знаменателе - среднее значение со стандартной ошибкой среднего значения.

Индикаторными факторами выделения данной почвенной группировки послужили повышенное валовое содержание стронция в почве и более низкое («узкое») отношение кальций/стронций с учётом пространственного расположения точек отбора проб. Среднее значение валового содержания изучаемого элемента (132 мг/кг) превышает данный показатель в «фоновых» чернозёмах на 17%. Среднее значение валового запаса стронция в слое 0-0,2 м составляет 345 кг/га. Отмечено повышение концентрации подвижных форм на 54%, коэффициента подвижности - на 31% (табл. 2). Повышение концентрации подвижных форм этого элемента опережает увеличение его валового содержания. Вероятно, это связано с увеличением подвижности стронция, изначально находящегося в почве («автохтонного стронция»), за счет взаимодействия данного элемента с анионами, входящими в состав фосфогипса, и некоторого снижения значений рН почвы, вызванного поступлением в неё слабых растворов фосфорной и серной кислот, содержащихся в выбросах предприятия. Отношение кальций/стронций в этих почвах в среднем на 29% меньше, чем в чернозёмах выщелоченных слитых вне зоны прямого воздействия. Выявленное отношение кальций/стронций на данный момент далеко от неблагоприятных биогеохимических значений, но тенденция к его «сужению» в настоящее время вызывает обеспокоенность и обусловливает необходимость ведения экологического мониторинга за загрязнённостью стронцием почв и растениеводческой продукции.

Аллювиальные луговые насыщенные почвы менее благоприятны по содержанию стронция в сравнении с зональными почвами района. Увеличение средних значений валового содержания элемента относительно чернозёмов выщелоченных слитых составляет 24%. Однако полученные максимальные величины приблизительно в 2 раза ниже кларка стронция в почве (300 мг/кг) (Виноградов, 1957) и существенно ниже значений для аллювиально-луговых почв большинства регионов России. В среднем валовый запас стронция в слое 0-0,2 м составляет 311 кг/га, что ниже, чем в чернозёмах зоны прямого влияния, поскольку аллювиально-луговые почвы имеют меньшую плотность. Концентрация

подвижных форм стронция в аллювиально-луговых насыщенных почвах выше, чем в зональных, - на 83%, а коэффициент подвижности элемента - на 50%. Повышение концентраций подвижных форм стронция связано с меньшей вьпцело-ченностью их от карбонатов, а также присутствием данного элемента в форме более подвижных соединений (сульфатов и хлоридов). Отношение кальций/стронций в исследованных интразональных почвах (184) также менее благоприятное, чем в зональных (ниже на 20%). Эти значения несколько выше (на 14%), чем в чернозёмах выщелоченных слитых, подверженных воздействию данного предприятия.

Урбозёмы (урбиквазизёмы) существенно отличаются от почв района исследований: валовое содержание — 168мг/кг; отношение кальций/стронций -412; коэффициент подвижности - 0,14. Их функционирование связано с деятельностью человека в урболандшафте, и все исследуемые показатели варьируют в широком диапазоне в зависимости от конкретного хозяйственного использования определённых участков (парки, газоны с привозным грунтом и т.д.). В среднем в слое урбозёмов 0-0,2 м валовый запас стронция составляет 386 кг/га, что является максимальным значением среди выделенных почвенных групп.

Валовое содержание стронция во всех исследованных почвенных группах (101-240 мг/кг) в несколько раз меньше условно принятого ОДК (бООмг/кг), ниже его кларковых значений (300 мг/кг) и содержания данного элемента в почвах стронциевых биогеохимических провинций (Зейско-Буреинская низменность - 540 мг/кг, Башкирское Зауралье — 690 мг/кг, Хибинская тундра — 1360 мг/кг, отдельные территории Таджикистана — 1100 мг/кг) (Ковальский, 1978). Отношение кальций/стронций варьирует в диапазоне 132-712, что является экологически благополучным значением данного показателя, поскольку близко к относительному эталону содержания элемента - в чернозёмах Курского заповедника. Однако выявленное негативное воздействие предприятия по производству фосфорных удобрений на почвы окружающих ландшафтов требует мониторинга в течение всего периода деятельности данного промышленного объекта. Одним из индикаторов загрязнения стронцием ландшафтов служит отношение кальций/стронций в почве, так как оно является более «чувствительным» параметром и может заранее выявить негативные тенденции.

4.2. Корреляция показателей загрязнённости почв стронцием с удалением от предприятия и некоторыми почвенными параметрами

Связь между показателями загрязнённости почв стронцием и удалением от предприятия. На характер зависимости между изучаемыми показателями и удалением от производства фосфорных удобрений большое влияние оказывают природные условия территорий (преимущественно почвенные) — например, отсутствие значимых зависимостей по северо-восточной трансекте (№ 6) является результатом разнообразия почв (табл. 3).

Таблица 3

Корреляция изучаемых показателей с удалённостью от предприятия по трансектам

Показатель Трансекты В целом по району

Северная Западная Юго-западная Южная Восточная Северо-восточная

Эгу 0,03 -0,34 -0,64 -0,74 0,45 0,01 -0,05

Эгт 0,04 -0,19 -0,74 -0,56 -0,09 0,10 -0,14

Бгт/Бгv 0,04 -0,12 -0,56 -0,43 -0,40 0,13 -0,19

Са ш/Бг ш 0,39 0,67 0,80 0,28 0,52 -0,02 0,34

При достаточной однородности эдафических условий зависимость изучаемых показателей от расстояния до предприятия проявляется явно. Наиболее репрезентативной для выявления корреляционных связей является юго-западная трансекта (относительная однородность почв, хозяйственного использования территорий и значительная повторяемость ветра СВ направления). Здесь выявлены статистически достоверные (по критерию Стьюдента) зависимости сильной степени между удалением от предприятия и валовым содержанием (г=-0,64), подвижной формой (г=-0,74), отношением кальций/стронций (г=0,80). Южная трансекта обладает несколько меньшей однородностью условий, что выражается в снижении интенсивности взаимосвязей; сильная неоднородность условий (особенно эдафических) на других трансектах практически сводит к нулю (а порой обращает в противоположные) закономерности связей изучаемых параметров с удалением от предприятия.

Связь между показателями загрязнённости стронцием в почвах района исследования и некоторыми почвенными параметрами. В чернозёмах выщелоченных слитых наиболее тесная взаимосвязь (статистически достоверная по критерию Стьюдента при г >0,29) показателей загрязнения стронцием и рН почвы: связь средней силы с концентрацией подвижных форм (г = 0,64) и коэффициентом подвижности элемента (г = 0,68), что обусловлено, связью рН почвенного раствора с наличием в почвах кальция, а, следовательно, и элемента-аналога — стронция, т.е. естественными закономерностями почв.

В чернозёмах выщелоченных слитых, подверженных прямому воздействию предприятия, зависимости изучаемых показателей от почвенных параметров претерпели существенные изменения. Наиболее тесные связи выявлены с рН почвенного раствора: обратная связь с валовым содержанием (г = -0,32), концентрацией подвижных форм стронция (г = -0,35), коэффициентом подвижности стронция (г = -0,27) и прямая связь средней силы с отношением кальций/стронций (г = 0,35). По различию в силе и направлении связей от естественных тенденций, характерных для «фоновых» чернозёмов, видно, что эти почвы подвержены существенному воздействию со стороны изучаемого предприятия. Выбросы, поступающие в окружающую среду от предприятия (оксиды серы, пары серной и фосфорной кислот, фосфогипс и т.д.), вызывают подкисление окружающих почв (снижение рН) и, одновременно, повышение содержания изучаемых форм стронция, снижение отношения кальций/стронций, так как сырьё и фосфогипс содержат в своём составе значительные количества валового (2,7-

6,5 г/кг) и подвижного (до 800 мг/кг) стронция. Таким образом, чем больше выбросов от завода, в конечном итоге, поступает в почву, тем больше снижается рН почвенного раствора и одновременно увеличивается содержание и подвижность стронция в почве и снижается отношение кальций/стронций.

В аллювиалыю-луговых насыщенных почвах выявлена обратная связь средней силы между валовым содержанием стронция и содержанием физической глины (г = -0,38), рН почвы (г = 0,19), что, вероятно, связано с присутствием слабовыветренных щелочных почвообразующих пород, обогащенных стронцием, а также с влиянием закономерностей отложения аллювия различного гранулометрического состава по удалению от русла. Выявлено наличие сильной прямой связи между рН почвенного раствора и концентрацией подвижных форм (г = 0,79), коэффициентом подвижности стронция (г = 0,62). Взаимосвязь рН почвы и концентрации подвижных форм стронция объясняется участием кальция (в т.ч. в форме карбонатов), а также элемента-аналога — стронция в формировании реакции почвенной среды. Более слабая, в сравнении с чернозёмами выщелоченными слитыми, обратная связь (г = -0,35) отношения кальций/стронций с концентрацией подвижных форм стронция свидетельствует о более широком диапазоне значений подвижных форм кальция в этих почвах, что может быть связано с различиями в почвообразующих аллювиальных породах, а также с режимом грунтовых вод и паводков.

В урбозёмах сочетание изучаемых показателей и почвенных характеристик, в основном, обусловлено свойствами насыпных грунтов и почв. Изменение изучаемых показателей в урбозёмах происходит в широких пределах (далеко от нормального распределения), поэтому анализ взаимосвязи показателей стронция с агрохимическими и физическими показателям и почвы представляется нам нецелесообразным.

4.3. Валовое содержания стронция по почвенному профилю различных почв Распределение валового содержания стронция по профилю чернозёмов выщелоченных слитых является относительно равномерным. Его максимумы в почвенном профиле связаны с гумусово-аккумулятивным горизонтом (А) и материнской породой (горизонтом Сса) (рис. 4). Выявленное распределение стронция по профилю почвы с максимумами в верхнем слое гумусово-аккумулятивного горизонта и в почвообразующей породе является результатом выщелачивания автохтонных карбонатов и легкорастворимых солей из верхних горизонтов (при участии биогенного С02) и аккумуляции карбонатов в нижней части профиля, а также некоторого биогенного накопления стронция в гумусо-во-аккумулятивном горизонте. Валовый запас стронция в слое 0-100 см данной почвы составляет 1750 кг/га.

Особенностью распределения стронция в чернозёмах выщелоченных слитых в зоне прямого влияния предприятия является увеличение его содержания в верхних горизонтах, вероятно, связанное с поступлением данного

элемента с выбросами предприятия (рис. 5). В настоящее время не выявлено профильного распределения, характерного для сильного аэротехногенного загрязнения стронцием, с максимумом содержания в поверхностном слое и последующим уменьшением вниз по профилю почвы, куда поллютант попадает с радиальным током почвенных растворов. Валовый запас стронция в слое 0-100 см данной почвы составляет 1790 кг/га, что несущественно отличается от «фоновых» чернозёмов, т.к. различия в содержании элемента проявляются только в верхнем горизонте и на данном этапе невелики в сравнении с общепрофильными запасами стронция.

1000 ---

100

10

АВу АВу АВу

ВС ^Ск

валовое содержание стронция, мг/кг -----гумус, % ---+-■• рН

содержание физической глины, %

Рис. 4. Валовое содержание стронция и почвенные характеристики в профиле чернозёма выщелоченного слитого 1000т-—

100

10

АВу АВу АВу АВу В ВС\ Ск

——- валовое содержание стронция, мг/кг —а— содержание физической глины, % ----гумус, % •••+■■■ рН

Рис. 5. Валовое содержание стронция и почвенные характеристики в профиле чернозёма выщелоченного в зоне прямого влияния предприятия по производству фосфорсодержащих удобрений

Профильное распределение валового содержания стронция в аллювиальных луговых насыщенных почвах характеризуется наличием нескольких максимумов: первый - поверхностный слой горизонта А, второй - материнская порода ССа, третий - нижние слои погребённых почв (рис. 6). Это обусловлено содержанием стронция в аллювии различного гранулометрического состава, выщелачиванием данного элемента (при участии биогенного С02), биогенной аккумуляцией в поверхностном слое и наличием погребенных почвенных горизонтов. Валовый запас стронция в слое 0-100 см аллювиально-луговой почвы составляет 2010 кг/га, что является максимумом среди почв района.

——— валовое содержание стронция, мг/кг —*— содержание физической глины, % -----гумус, % - - - н— рн

Рис. 6. Валовое содержание стронция и почвенные характеристики в профиле аллювиально-луговой

насыщенной почвы

4.4. Динамика показателей загрязнённости почв стронцием по сезонам и годам исследований

В течение всех сезонов в 2005-2007 годы на изучаемой территории не было зафиксировано превышения условного ОДК стронция в почве (600 мг/кг) и отношение кальций/стронций также не выходило за границы биогеохимического оптимума. В целом сезонная динамика загрязнения исследованных почв стронцием имеет сходный характер, что объясняется однонаправленностью воздействия внешних, по отношению к эдафотопу, природных условий, а также сходным современным направлением развития. Сезонная динамика характеризуется слабыми изменениями валового содержания стронция, повышением концентрации подвижных форм и коэффициента подвижности элемента в летний сезон и снижением отношения кальций/стронций в летний сезон (рис. 7).

Динамика среднегодовых значений изучаемых показателей характеризуется следующими тенденциями: некоторое увеличение валового содержания стронция в период 2005-2007 годы; увеличение концентрации подвижных форм и коэффициента подвижности стронция; отсутствие существенного изменения отношения кальций/стронций (рис. 8).

Рис. 7. Динамика валового содержания, концентрации подвижных форм стронция и отношения кальций/стронций по сезонам года в различных почвенных группах (в среднем за 2005 и 2007 годы): ЧВС (БХЗ) - чернозёмы выщелоченные слитые в зоне прямого воздействия предприятия (БХЗ); АЛН -аллювиально-луговые насыщенные почвы.

Динамика среднегодовых значений отношения кальций/стронций отличается от других показателей: чернозём выщелоченный слитой в зоне прямого воздействия предприятия (ЧВС БХЗ) только по этому показателю выделяется среди других почвенных групп обратной закономерностью. Это подчёркивает индикаторную роль отношения кальций/стронций в почвах при выявлении влияния предприятий по производству фосфорных удобрений на содержание стронция в ландшафтах.

2005 год

чвс чвс бхз алн

D концентрация подвижных форм Sr.Mr/tcr

валовое содержание Sr, мг/кг ЕЗ Отношение Ca/Sr _

2007 год

ЧВС ЧВС БХЗ АЛН □ концентрация подвижных форм Sr,мг/кг а валовое содержание Sr, мг/кг ЕЗ Отношение Ca/Sr _

Рис. 8. Динамика среднегодового валового содержания, подвижной формы стронция и отношения кальций/стронций в различных почвенных группах (2005 и 2007 годы): ЧВС (БХЗ) - чернозёмы выщелоченные слитые в зоне прямого воздействия предприятия (БХЗ); АЛН - аллювиально-луговые насыщенные почвы.

Сезонная динамика изучаемых показателей в годы исследования достаточно сильно коррелирует с погодными условиями (количество и распределение осадков в течение года). Одним из механизмов этого явления мы считаем радиальную миграцию подвижных форм стронция и кальция.

4.5. Содержание стронция в растениях

Содержание стронция в сельскохозяйственных культурах и кормовых травах. Для оценки содержания стронция в продовольственных и кормовых культурах, а также дикорастущих травянистых растениях был проведен анализ проб растений (в т.ч. сельскохозяйственных культур). Оценка затруднена тем, что не существует его единых нормированных значений (ПДК и МДУ в кормах и продуктах питания), и исследователи в качестве оптимальных величин гигиенической полноценности приводят разные цифры отношения кальций/стронций: 80 (Войнар, 1960), 160 (Ковальский, Засорина, 1965), интервал 80-160 (Литвино-вич и др., 2008).

Зерно пшеницы, выращенной на чернозёме выщелоченном слитом, соответствует современным (ориентировочным) требования гигиенической полноценности продукции растениеводства: отношение Са/Бг — 343 (при содержании стронция 3,1 мг/кг сухой массы). Зерно пшеницы, выращенной на аллювиально-луговых насыщенных почвах, также полностью соответствует требованиям гигиенической безопасности (Са/Бг = 335). При сходном качестве зерна, выращенного на различных почвах, содержание стронция и кальция выше при получении этой продукции на аллювиально-луговых почвах: по стронцию - в 2,5, по кальцию - в 2,4 раза.

Зерно сои, выращенной на чернозёме выщелоченном слитом в зоне прямого воздействия предприятия (восточнее и северо-восточнее площадок складирования фосфогипса), характеризуется высоким содержанием стронция - 124 мг/кг сухой массы. Однако эта цифра закономерна, поскольку известно свойство бобовых растений накапливать стронций. Высокое содержание кальция в зерне сои обеспечивает кальций-стронциевое отношение свыше 500, т.е. зерно является гигиенически полноценным.

Зерно кукурузы, выращенной на аллювиально-луговых насыщенных почвах, характеризуется неблагоприятным значением отношения Са/Бг - 38. Это меньше нижней границы гигиенически полноценной продукции растениеводства по данному показателю (не менее 80 по самым «мягким» требованиям). Столь низкое значение кальций-стронциевого соотношения связано с небольшим содержанием кальция в зерне кукурузы (647 мг/кг), что согласуется с литературными данными (Лукашёв, 2005). При этом в кукурузе, выращиваемой на зеленую массу, отношение Са/8г почти на порядок выше (в среднем - 269) за счёт более высокого содержания кальция в вегетативных органах надземной фи-томассы данной культуры (5060 мг/кг). Содержание стронция в вегетативных органах практически одинаково с его содержанием в зерне кукурузы.

Содержание стронция в зелёных кормах (клевер, люцерна) колеблется от 21 до 153 мг/кг сухой массы, что заметно выше содержания этого элемента в дико-

растущих кормовых видах, поскольку в естественных кормовых травах преобладают злаки. Отношение кальций/стронций в зелёных кормах (292-838) не вызывает беспокойства с точки зрения их гигиенической полноценности, т.к. заметно превышает нижнюю границу оптимальных значений этого показателя (80).

Содержание стронция в надземной части разнотравно-злаковой растительности, используемой в качестве пастбищного корма и для заготовки сена, является невысоким и колеблется в различные сезоны года: весна - 8,2, лето - 6,9, осень - 11,9 мг/кг. В связи с различными фенофазами исследуемых растений и некоторыми различиями в видовом составе злаково-разнотравной растительности, нецелесообразно выявление различий по почвенным группам в содержании изучаемых элементов в дикорастущих травах. Отношение кальций/стронций в данном виде кормов является безопасным, не опускаясь во все сезоны менее 800, т.е. в 10 раз превышая минимальную границу оптимальных значений этого показателя для гигиенически полноценной продукции.

Биогенная аккумуляция стронция в поверхностном слое почвы. Для чернозёмов выщелоченных слитых характерно наличие двух максимумов валового содержания стронция в профиле почвы. Наибольшим содержанием этого элемента выделяется почвообразующая порода. Это связано с выщелачиванием щелочноземельных металлов (в том числе и кальция) из верхних горизонтов и аккумуляцией их на карбонатном биогеохимическом барьере.

Однако такое проявление почвообразовательных процессов не объясняет повышенного содержания стронция в поверхностном слое. Причиной этого является биогенная аккумуляция элемента в поверхностном слое горизонта А, где происходит максимальное гумусонакопление в результате трансформации растительного опада почвенной биотой.

Увеличение валового содержания стронция в поверхностном слое относительно минимума содержания в профиле черноземов выщелоченных слитых в среднем составляет 10 мг/кг в слое 0-20 см и 5 мг/кг — в слое 20-40 см. Увеличение запаса в слое 0-40 см - 3950 мг/м2.

Произведем расчёт времени, необходимого для выявленного увеличения валового содержания стронция в верхнем слое почвы за счёт биогенной аккумуляции. Среднегодовое содержание стронция в надземной фитомассе разнотравно-злаковой растительности изучаемого района равно 9 мг/кг сухого вещества. Биогенное накопление данного элемента в верхнем слое почвы связано преимущественно с аккумуляцией его в результате разложения (гумификации) поверхностного опада, так как корневой опад разлагается в слое, из которого он и поглощает зольные элементы (в частности, стронций). Часть стронция, сконцентрированного в поверхностном слое, в результате частичного выщелачивания мигрирует в более нижний слой (преимущественно, до 40 см).

Поверхностный опад в степных сообществах, в состоянии слабого антропогенного изменения составлял около 0,3 кг/м2 (Родин, Базилевич, 1965). Интенсивность разложения опада в изучаемой зоне колеблется от 1 до 1,5, т.е. за год разлагается от 66 до 100% годового растительного опада. Значит, ежегодно в

верхний слой почвы поступало количество стронция, содержащееся в 0,24 кг надземной фитомассы (в расчете на 1 м2). В данном количестве растительного опада содержится:

0,24 кг фитомассы * 9 мг/кг фитомассы = 2,16 мг стронция.

С учётом установленного годового поступления стронция время его биогенной аккумуляции составляет:

3950 мг/м2 /2,16 мг/(м2*год) = 1829 лет.

Некоторую погрешность в расчёты вносит изменение биогеохимии данного элемента при отличных от современных почвенно-растительных условиях (изменение рН, гидротермического режима, содержания стронция в почве, различия в степном фитоценозе и т. д.). Полученный срок является минимально возможным: фактически он несколько больше, так как в данных расчётах не учтено одновременное с аккумуляцией выщелачивание стронция в этот же период. Биогенный механизм аккумуляции стронция в гумусово-аккумулятивном горизонте (в верхнем слое) почвы является вполне закономерным для данных почв.

Самозарастание отвалов фосфогипса. Фосфогипс на Белореченском химзаводе является основным отходом производства и хранится открытым способом в шламонакопителе. С течением времени происходит самозарастание участков отвалов, неподвергающихся механическим воздействиям, вызванным подсыпкой свежего фосфогипса, проходами техники и сильной ветровой эрозией. Растительность, появившаяся на картах хранения, является заносной из окружающих фитоценозов. Исследование показало, что на отвалах фосфогипса произрастают 23 вида покрытосеменных растений: ежовник обыкновенный, тростник обыкновенный, вейник наземный, щетинник сизый, пырей ползучий, череда трехраздельная, амброзия полынолистная, мать-и-мачеха, бодяк седой, одуванчик лекарственный, мелколепестник однолетний, дурнишник обыкновенный, осот болотный, клевер эр., лядвенец рогатый, донник лекарственный, горец птичий и перечный, ослинник двулетний, кипрей болотный, льнянка обыкновенная, тополь белый, ива козья, вяз Бр.. Из перечисленных растений наиболее часто и при этом обильно встречались мать-и-мачеха, вейник, ежовник, тростник, из древесных форм: тополь. Наиболее часто растения поселяются в трещинах поверхности, куда, по-видимому, попадают и накапливаются семена и частицы почвы. В глубоких и широких трещинах отмечен налет водорослей желтовато-зеленого, желто-бурого и иногда черного цвета. Почвенные водоросли, являясь эксплерентами, одними из первых поселяются на различных техногенных субстратах. Наиболее распространёнными на разновозрастных участках и самыми ранними по появлению является отдел зеленых водорослей (СЫогорЬ^а) (Бачу-ра и др., 2009).

Таким образом, фосфолгас, представляющий собой дигидрат сульфата кальция с различными примесями (в т.ч. токсичными), не является чужеродным субстратом для растений, которые способны на нём покров, включающий покрытосеменные растения, мхи и водоросли.

4.6. Содержание стронция в водных объектах

Содержание стронция в природных водных объектах (р. Белая, р. Пшеха, р. Ганжа) составило 0,11-0,28 мг/дм3, что на порядок ниже ПДК для природных вод и питьевой воды (7 мг/дм3), поэтому данная вода по содержанию стронция не имеет ограничений для использования (включая забор воды в питьевых целях). Повышенное содержание стронция в технологических водоёмах (3,64,6 мг/дм3) не опасно для поверхностных вод, т.к. они не имеют поверхностного стока. Показатели содержания стронция в исследованных пробах р. Пшеха выше и ниже сброса ливневых вод с территории предприятия существенно не отличаются между собой. Отношение Ca/Sr выше 230, т.е. вода исследованных природных водных объектов является безопасной по биогеохимическому критерию (Ca/Sr>100).

Для выявления возможного воздействия на грунтовые воды в 2007 году нами был проведён отбор и анализ проб из скважин контроля грунтовых вод шла-мохранилища. Содержание стронция составило менее 0,1 мг/дм3, а среднее содержание кальция - 38 мг/дм3 (отношение кальций/стронций более 380). Содержание стронция в грунтовых водах на порядок ниже ПДК в природной и питьевой воде. Установленное нами содержание стронция в грунтовых водах на территории площадки складирования фосфогипса существенно ниже, чем содержание стронция в подземных водах некоторых территорий, не подверженных загрязнению данным элементом в результате хозяйственной деятельности человека.

Отсутствие загрязнения стронцием поверхностных и подземных вод при повышенном поступлении данного элемента в ландшафты (почвы) обусловлено тем, что воздействие предприятия происходит опосредованно, через территорию водосборного бассейна данных объектов, и, очевидно, компенсируется аккумулятивной способностью почв в отношении данного поллютанта.

Показатели содержания стронция в донных отложениях р. Пшеха (валовое содержание - 145-175, подвижная форма - 30-43 мг/кг) близки по значению к соответствующим показателям для почв района исследования и незначительно отличаются между собой. Пространственное распределение стронция в донных отложениях р. Ганжа-2 (ближайшего водного объекта) неоднородно. Повышенное содержание стронция в некоторых точках (391 мг/кг), скорее всего, объясняется попаданием фосфогипса с площадок хранения в водоток при прорыве дамб площадок из-за обильных осадков в предыдущие годы. Высокое абсолютное и относительное содержание подвижных форм стронция в некоторых точках, возможно, объясняется также испарительной концентрацией этого элемента в донных отложения при пересыхании русла (во время отбора - русло пересохшее).

В настоящее время состояние водных систем с точки зрения загрязнения стронцием не вызывает опасения при безаварийном режиме работы предприятия (целостность дамб карт складирования фосфогипса).

4.7. Проблема охраны почв

В результате исследований было выявлено воздействие предприятия на содержание стронция в почвах прилегающих ландшафтов. На современном этапе предприятие не оказывает непосредственного влияния на природные водные объекты, поскольку не осуществляет в них сброс вод, используемых в основном производстве.

Основным воздействием на поверхностные и подземные воды, а также фи-тоценозы (включая агрофитоценозы) является опосредованное воздействие на эти компоненты через почвы, поэтому мониторинг состояния и охрана почв являются наиболее важной задачей, решение которой обеспечит благоприятную экологическую ситуацию на данной территории в целом.

Выявленное повышение валового содержания, концентрации подвижной формы стронция и снижение отношения кальций/стронций в зоне воздействия предприятия не достигло, в настоящий момент, критических значений. Однако это является негативной тенденцией, которая в будущем может привести к нежелательным последствия, поскольку буферные и аккумулирующие способности почвы не являются безграничными. При превышении порогов устойчивости почвенных систем произойдёт загрязнение стронцием поверхностных и подземных вод, растениеводческая продукция станет непригодной для потребления, что приведёт к снижению показателей здоровья и качества жизни населения.

Наиболее важным, с точки зрения охраны почв от загрязнения стронцием, является предотвращение его дальнейшего антропогенного поступления в почву. Необходимым условием этого является рекультивация неиспользуемых карт шламохранилища для снижения эолового переноса элемента в окружающие ландшафты. При рекультивации необходимо использовать комплексный подход с использованием современных геомембран, инертных материалов, а также плодородного слоя с закреплением его с помощью специально подобранных травянистых и древесных растений. В настоящее время на предприятии проводится рекультивация бывшей карты жидкого хранения отходов с заполнением его фосфогипсом, засыпкой плодородным слоем и дальнейшей биологической рекультивацией с высадкой травянистых и древесных растений (патент РФ №2426291).

Важным аспектом охраны агропочв от загрязнения стронцием является контроль содержания элемента в удобрениях и мелиорантах, используемых в агропроизводстве, и их тщательное научно обоснованное дозирование при внесении.

Выводы

1. Существует зона прямого влияния данного предприятия на содержание стронция в почвах, в пределах которой наблюдается увеличение его валового содержания (132 мг/кг) в среднем на 17%, концентрации подвижных форм - на 54%, снижение отношения кальций/стронций на 29% в сравнении с «фоновыми» чернозёмами выщелоченными слитыми. В настоящее время, несмотря на выявленное негативное воздействие предприятия, показатели загрязнения почв

стронцием не достигли критических значений.

2. Наиболее чувствительный показатель загрязнения почв стронцием - это отношение кальций/стронций. Рекомендуется обязательное использование данного параметра при контроле состояния окружающей среды в районе предприятий, производящих фосфорсодержащие удобрения и фосфорную кислоту. При учёте эдафических условий связь показателей содержания стронция в почвах с расстоянием до предприятия проявляется явно. В исследованных почвах наиболее сильной связью с показателями стронциевого состояния почв выделяется рН почвенного раствора (до г = 0,79), поскольку рН почвы связан с наличием в ней доступных форм кальция, а, следовательно, и элемента-аналога - стронция.

3. Валовое содержание стронция в профиле чернозёма выщелоченного слитого (в т.ч. и в зоне прямого влияния) характеризуется двумя максимумами - в гумусово-аккумулятивном горизонте А и материнской породе Сса (абсолютный максимум в профиле), что является результатом выщелачивания автохтонных карбонатов и легкорастворимых солей из верхних горизонтов (при участии биогенного углекислого газа) и аккумуляции карбонатов в нижней части профиля, а также параллельной биогенной аккумуляции элемента в гумусово-аккумулятивном горизонте. Валовое содержание стронция повышено в гумусово-аккумулятивном горизонте чернозёмов, расположенных в зоне прямого влияния предприятия, что, однако, не нарушает общей закономерности профильного распределения, характерного для чернозёмов выщелоченных слитых. Распределение стронция по профилю аллювиально-луговых насыщенных почв характеризуется большей неоднородностью и цикличностью, что связано с особенностями генезиса этих почв.

4. Отношение кальций/стронций в зерне большинства продовольственных культур (пшеница, соя, подсолнечник) и зеленой массе кормовых дикорастущих и сельскохозяйственных (посевы люцерны, клевера) культур было существенно выше значений, при которых возможно развитие «уровской болезни» (80-160), поэтому их продукция является гигиенически полноценной. Ориентировочный минимальный срок, необходимый для биогенной аккумуляции стронция в горизонте А, составляет не менее 1829 лет. Этот срок сопоставим с предполагаемым возрастом чернозёмов 5 000-20 000 лет. Зафиксирован процесс самозарастания отвалов фосфогипса травянистой (и частично древесной) растительностью.

5. В настоящее время поверхностные и подземные воды района не загрязнены стронцием, что связано с блокированием загрязнения через территорию водосборного бассейна за счёт аккумулятивной способности почв в отношении данного поллютанта. Содержание стронция в донных отложениях отдельных участков р. Ганжа-2 выявило попадание фосфогипсовой пульпы в данный водоток в предыдущие годы при авариях на шламохранилищах; в остальных водных загрязнение стронцием в результате деятельности предприятия объектах в предыдущие годы не происходило.

Рекомендации производству

1. Осуществлять непрерывный мониторинг содержания стронция в ландшафтах с использованием отношения кальций/стронций в качестве индикатора ранних изменений.

2. Прилагать усилия к внедрению фосфогипса в сельское хозяйство как мелиоранта для щелочных земель края, что будет способствовать уменьшению количества этого отхода, хранящегося в виде отвалов.

3. Осуществить рекультивацию отработанных карт складирования фосфогипса с целью предотвращения эолового переноса данного отхода в окружающие ландшафты.

4. Устранить возможность попадания фосфогипса и дренажных вод в р. Ганжа-2 при аномальных неблагоприятных погодных условиях (выпадение большого количества осадков в краткий промежуток времени).

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Петренко Д.В. Влияние выбросов Белореченского химзавода на содержание стронция в окружающих ландшафтах / Д.В. Петренко, Е.И. Муравьёв, И.С. Белю-ченко // Тр. / КубГАУ. - 2007. - № 2 (6). - С. 66-70.

2. Белюченко И.С., Петренко Д.В. Содержание стронция по профилю различных почв в районе предприятия в районе предприятия по производству фосфорных удобрений (на примере ОАО "Еврохим-БМУ", г. Белореченск) // Тр. / КубГАУ. -2012.-№2(35).-С. 123-128.

3. Петренко Д.В., Белюченко И.С., Сокирко В.П. Стронций в почвах ландшафтов, окружающих предприятие по производству фосфорных удобрений (на примере ОАО "Еврохим-БМУ", г. Белореченск)// Тр. / КубГАУ. - 2012. - № 2 (35). - С. 191-197.

4. Петренко Д.В., Белюченко И.С. Содержание стронция в продовольственных культурах и кормовых травах в районе производства фосфорных удобрений (на примере ОАО "Еврохим-БМУ", г. Белореченск) // Тр. / КубГАУ. - 2012. - № 2 (35). -С. 205-208.

Статьи, опубликованные в других изданиях

5. Петренко Д.В. Оценка влияния отходов производства фосфорных удобрений на прилегающие ландшафты / Е.И. Муравьёв, И.С. Белюченко, Ю.В. Пономарёва, Петренко Д.В. // Экологические проблемы Кубани. - 2006. - № 32. - С. 210214.

6. Петренко Д.В. Стабильный стронций в растениях и факторы, влияющие на его аккумуляцию / Д.В. Петренко, Е.И. Муравьёв // Экологические проблемы Кубани. - 2007. - № 33. - С. 52-56.

7. Петренко Д.В. Влияние отходов Белореченского химзавода на содержание стронция в окружающих ландшафтах / Д.В. Петренко, И.С. Белюченко // Эколог, вестник Северного Кавказа. - 2012. - Т.8. - № 1. - С. 4-79.

8. Петренко Д.В. Охрана почв от строительного загрязнения // Эколог, вестник Северного Кавказа. - 2012. - Т.8. - № 2. - С. 55-58.

Подписано в печать 23.01.2014 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Объем 1,0 пл. Заказ ■УЗ Тираж 100 экз.

Издательство ФГБОУ ВПО РГАЗУ 143900, Балашиха 8 Московской области

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Петренко, Дмитрий Владимирович, Краснодар

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра общей биологии и экологии

На правах рукописи

04201456431

Петренко Дмитрий Владимирович

Влияние производства фосфорных удобрений на содержание стронция в ландшафтах

Специальность 03.02.08 - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Белюченко Иван Степанович

Краснодар - 2014 г.

Содержание

Введение...................................................................................................................4

Глава ¡.Состояние изученности вопроса и цель работы.....................................7

1.1 Экологическая роль стронция в функционировании ландшафта............7

1.1.1 Общая характеристика стронция..........................................................7

1.1.2 Распространение стронция в природе..................................................8

1.1.3 Стронций в почвах...............................................................................10

1.1.4 Связь стронция с другими элементами и агрохимическими

показателями почвы......................................................................................12

1. ] .5 Стронций в водных системах..............................................................16

1.1.6 Стронций в растениях..........................................................................19

1.1.7 Стронций в системе почва - растения...............................................22

1.1.8 Производство фосфорных удобрений как потенциальный источник загрязнения ландшафтов стронцием...........................................................25

1.2 Цель и задачи работы..................................................................................29

Глава 2. Объект и методика исследований.........................................................31

2.1 Объект исследований..................................................................................31

2.2 Природно-климатические условия района исследований......................33

2.3 Методика исследований.............................................................................54

Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение.........................................58

3.1 Валовое содержание, концентрация подвижных форм и отношение кальций/стронций в поверхностном слое почвы............................................58

3.1.1 Распределение валового содержания, концентрации подвижных форм и отношения кальций/стронций по трансектам...............................58

3.1.2 Распределение валового содержания, концентрации подвижных форм, коэффициента подвижности стронция и отношения кальций/стронций в поверхностном слое почв по удалению от

предприятия....................................................................................................69

3.1.3. Валовое содержание, концентрация подвижных форм и отношение кальций/стронций в различных почвах...................... .................................75

2

3.2 Корреляция валового содержания, концентрации подвижных форм стронция и отношения кальций/стронций с удалением от предприятия и

некоторыми почвенными характеристиками.................................................86

3.2.1. Связь валового содержания, концентрации подвижных форм стронция, отношения кальций/стронций почвы с удалением территории от предприятия...............................................................................................86

3.2.2. Связь валового содержания, концентрации подвижных форм и отношения кальций/стронций в почвах района с некоторыми почвенными характеристиками...................................................................91

3.3 Валовое содержание стронция по почвенному профилю различных почв.....................................................................................................................97

3.4 Динамика валового содержания, концентрации подвижных форм и отношения кальций/стронций по сезонам и годам исследований.............106

3.5 Содержание стронция в растениях..........................................................117

3.5.1 Содержание стронция в некоторых сельскохозяйственных культурах и дикорастущих кормовых травах в районе расположения производства фосфорных удобрений........................................................117

3.5.2 Аккумуляция стронция растениями как фактор его распределения по почвенному профилю.............................................................................121

3.6 Содержание стронция в водных объектах..............................................123

3.6.1 Содержание стронция в поверхностных водах...............................124

3.6.2 Содержание стронция в грунтовых водах.......................................127

3.6.3 Содержание стронция в донных отложениях..................................129

Глава 4. Проблема охраны почв.........................................................................132

Выводы.................................................................................................................140

Рекомендации производству..............................................................................143

Список литературы..............................................................................................144

Введение

В настоящее время в России функционирует 12 заводов по производству фосфорных удобрений, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду в виде поступления в составляющие ландшафтов оксидов серы, фтора и тяжёлых металлов. Большинство работ по данной теме направлено на изучение воздействия на элементы ландшафта выбросов соединений фтора и серы, которые считаются приоритетными загрязнителями (Ниязбе-кова, 1990; Вакал, 1991). Сведения о развитии техногенных аномалий тяжёлых металлов вокруг заводов по производству фосфорных удобрений неоднозначны (Баева, 1988; Муравьёв, 2005; Литвинович, 1999).

Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами в районе предприятий по производству фосфорсодержащих удобрений вызвано их присутствием, в виде балластных элементов, в фосфатном сырье (Михайличенко, 2000). Оценку уровня экологической безопасности фосфатного сырья, удобрений и отходов производства НИИ Экологии человека и гигиены окружающей среды им. А.И. Сысина АМН РФ рекомендует осуществлять в форме контроля содержания в них экологически контролируемых химических элементов (ЭКХЭ), в т. ч. и стронция. Из всех элементов стронций отличается высокой концентрацией в сырье, отходах и фосфорных удобрениях (Казак, 1999).

На Белореченском химическом заводе (ОАО «Еврохим-БМУ») к настоящему времени накопилось свыше 10 млн. т фосфогипса - основного отхода производства фосфорных удобрений. Так как фосфогипс хранится в отвалах на открытых площадках, то можно предположить, что какая-то часть составляющих его компонентов может мигрировать в окружающие ландшафты путём атмосферного переноса частиц отхода или вымывания растворимых соединений в грунтовые воды.

В состав дигидратного фосфогипса, помимо основного вещества - гипса (Са804«2Н20), входит большое число примесей - фосфаты, фториды, стронций и другие тяжёлые металлы. Стронций содержится в апатитовом

4

сырье, в фосфогипсе и в фосфорных удобрениях в количествах, значительно превышающих его содержание в почве (Говоренков, 1996; Кабата-Пендиас, 1989; Тонконоженко, 1973; Дричко, 1996; Муравьёв, 2005), поэтому концентрации стронция в различных компонентах ландшафтов вызывают интерес с точки зрения негативного влияния на биологические объекты (включая человека).

Сведения о токсичности стронция для растений неоднозначны (Ковальский, 1965; Сапрыкин, 1984). Данных о летальной дозе для человека не существует. В организм животных стронций, как и многие другие элементы, поступает в виде растительной пищи (Фомичев, 2000) и с водой. При избыточном поступлении стронция возникает так называемый «стронциевый» рахит («уровская болезнь»), возникающая вследствие вытеснения ионов кальция ионами стронция из костной ткани или повышенного поступления в организм стронция на фоне дефицита кальция (узкое отношение кальций-стронций в пище и воде) (Вощенко, 1990).

Накопление в организме стронция приводит к поражению всего организма (общетоксическое действие) (Хёнинг, 1976). Однако наиболее типичным для этого заболевания является развитие дистрофических изменений в костно-суставной системе в период роста организма (формируется симметричный деформирующий остеопороз из-за торможения роста костей со стороны метаэпифизарных хрящей, наблюдается отставание в росте, истощение, облысение, нарушение воспроизводства, низкая продуктивность животных, появление стронциевого зоба). Как правило, это заболевание сопровождается выраженным нарушением фосфорно-кальциевого соотношения в крови, дис-бактериозом кишечника. В присутствии стронция йод становится малодоступным для организма, вследствие чего наступает внутренняя йодная недостаточность со всеми характерными для нее последствиями (Ермохин, 2004).

Считается, что в качественных кормах и продуктах питания содержание кальция должно превышать содержание стронция в 160 раз и более. При

сужении этого отношения до 80 и ниже корма и продукты питания становятся гигиенически неполноценными (Войнар, 1960; Минеев, 1989).

Таким образом, именно вероятность загрязнения стронцием ландшафтов, окружающих предприятие по производству фосфорсодержащих удобрений (ОАО «Еврохим-БМУ»), и возможное негативное воздействие на человека и животных этого элемента обусловило выбор содержание стронция в ландшафтах (почве, растительности, грунтовых и поверхностных водах, илах, с удалением от завода до 10 км) в качестве темы наших исследований.

Исследования проводились по системе мониторинга, разработанной с учётом преобладающих направлений ветров. Сезонная и годовая динамика показателей, характеризующих загрязнённость стронцием компонентов ландшафтов, изучалась с 2005 по 2007 год. Распределение валового стронция по профилю почвы изучалось в 2005 году. Валовое содержание стронция в почве и донных отложениях определяли методом рентген-флуоресцентного анализа на спектроскане «Макс-в». Анализ концентрации подвижных форм стронция и кальция в почве и донных отложениях, содержание стронция и кальция в растительности и воде осуществляли атомно-адсорбционным методом на спектрометре «Квант-2А».

Глава 1.Состояние изученности вопроса и цель работы

1.1 Экологическая роль стронция в функционировании ландшафта

1.1.1 Общая характеристика стронция

Стронций - химический элемент II группы периодической системы Д.И. Менделеева с порядковым номером 38 и атомной массой 87,62; серебристо-белый металл. Природный стронций состоит из смеси четырёх ста-

с 84 86 87 88

бильных изотопов: 8г, 8г, Бг и Бг, относительная распространённость которых на Земле составляет соответственно 0,56, 9,86, 7,00 и 83,58 % (Полу-эктов, 1978). Искусственно получены радиоактивные изотопы с массовыми числами от80 до 97, образующиеся при делении урана. Из них наиболее изученными являются изотопы 82Эг (Тх/2= 25,6 суток), 858г (Тш= 64,8 суток), 89Бг (Т1/2= 50,52 суток) и 908г (Т1/2= 29 лет).

Стронций - щелочноземельный металл, по химическим свойствам сходен с кальцием и барием. Металлический стронций быстро окисляется на воздухе, образуя желтоватую поверхностную плёнку, содержащую окись БгО, перекись 8Ю2 и нитрид 8гК2. С кислородом при обычных условиях образует перекись 8гО, которая на воздухе легко переходит в карбонат 8гСОз; с водой энергично взаимодействует, образуя гидроокись 8г(ОН)2 - основание более сильное, чем гидроокись кальция. На воздухе при нагревании легко воспламеняется, а порошкообразный стронций - самовозгорается, поэтому его хранят в герметически закрытых сосудах под слоем керосина. При повышенных температурах взаимодействует с водородом (1 > 2000С), азотом (1 > 4000С), фосфором, серой и галогенами. При нагревании образует интерметаллические соединения с металлами, например, 8гРЬз, SrAg4, 8БШ§8, 8гН£12. Из солей стронция хорошо растворимы в воде галогениды (кроме фторида), нитрат, ацетат, хлорат; трудно растворимы карбонат, сульфат, оксалат и фосфат. Многие соли стронция образуют кристаллогидраты, содержащие от 1 до 6 молекул кристаллизационной воды. Сульфид 8г8 постепенно гидроли-

зуется водой с выделением КК3 и 8г(ОН)2. Стронций хорошо растворяется в жидком аммиаке, давая растворы тёмно-синего цвета.

Стронций (стабильный) используется в электронике, в качестве полупроводника. Стронций-90 в настоящее время используют в автономных ядерных элементах питания (например, автономная метеостанция на севере Канады). В медицине препараты стронция используются при лечении нарушений обмена в костной ткани.

1.1.2 Распространение стронция в природе

Среднее содержание стронция в земной коре (кларк) составляет 3,4-10"% (по массе); в геохимических процессах он является спутником кальция. Известно около 30 минералов стронция; важнейшие из них - целестин 8г8С>4 и стронцианит 8гСОз. Стронций концентрируется преимущественно в магматических породах среднего состава и в карбонатных осадках (табл. 1,2).

Таблица 1. Содержание стронция в магматических и осадочных породах, мг/кг (Кабата-Пендиас, 1989)

Магматические породы Содержание Осадочные породы Содержание

Ультраосновные 2-20 Глины 300-450

Основные 140-460 Сланцы 300

Средние 300-600 Песчаники 20-140

Кислые 60-400 Известняки 450-600

В магматических породах стронций находится преимущественно в рассеянном виде и входит в виде изоморфной примеси в кристаллическую решетку кальциевых, калиевых и бариевых минералов. В биосфере стронций накапливается в карбонатных породах (месторождения целестина), особенно в осадках соленых озер и лагун.

Среднее содержание стронция в почвообразующих породах Краснодарского края составляет 15-540 мг/кг с колебаниями от 72 до 1380 мг/кг (табл. 3).

Таблица 2. Кларки концентрации стронция и кальция (Перельман, 1972)

Объекты Кларк концентрации стронция (в скобках - КК кальция)

Изверженные породы земной коры и ве] охней мантии:

ультраосновные 0,03 (7,98)

основные 1,3 (1,7)

кислые 0,89 (0,58)

Биосфера и её производные:

глины и сланцы 1,3 (0,62)

живое вещество 0,05 (3)

гидросфера 0,023 (0,12)

галолиты 0,03

гипсолиты 5,8

сульфатные озёра ОД

лагуны в сухом климате 4

глубинные рассолы 3 (0,44)

осадочные карбонатные породы 1,8

реки гумидных регионов 0,0007

реки аридных регионов 0,01

Таблица 3. Содержание стронция в почвообразующих породах Краснодарского края, мг/кг (Тонконоженко, 1973).

Почвообразующая порода Содержание

Лёссовидные тяжёлые суглинки 167-279

Лёссовидные глины 129-209

Аллювий глинистый 150-410

Аллювий суглинистый 316-414

Делювий глинистый 118-233

Элювий глинистых сланцев 111-154

Мергели, мел, известняки 143-544

Стронций равномерно распределён в лёссовидных породах, хотя его общее содержание невысокое. Неравномерное распределение этот элемент имеет в аллювиальных отложениях, известняках и мергелях. В аллювии это связано с неоднородностью гранулометрического состава породы.

1.1.3 Стронций в почвах

Содержание стронция в почвах в большей степени контролируется составом материнских пород и климатом. Кларк стронция равен 300 мг/кг (Литвинович, 2008). Интервал его содержаний в поверхностных горизонтах колеблется от 18 до 3500 мг/кг, причём наивысшие значения характерны для русских чернозёмов и лесных почв (Кабата-Пендиас, 1989). Например, почвы, развитые на ледниковых отложениях в условиях гумидного климата Дании, очень бедны стронцием, тогда как почвы такого же типа в США относительно богаты этим элементом (табл. 4).

Таблица 4. Содержание стронция в поверхностном слое почв различных стран, мг/кг сухой массы

Почвы Страна Пределы колебаний Среднее

Подзолы и песчаные почвы Австралия Новая Зеландия 350-570а 118

Лёссовые и пылеватые Новая Зеландия 220-3 80а -

почвы

Суглинистые и глинистые почвы Новая Зеландия СССР 18-86а 280-310 295

Почвы на ледниковых Дания - 14,7

отложениях

Каштановые почвы СССР - 280

Чернозёмы СССР 520-3500 -

Почвы прерий и луго- СССР 150-500 300

вые почвы

Гистосоли и другие Дания - 92

органические соли

Лесные почвы СССР - 675

Разные типы почв Канада 30-500ь 210

Дания Великобритания ; 17,2 261

Примечание: - почвы образовавшиеся на базальтах и андезитах.

Б - для почвенного профиля в целом.

В результате биогеохимических исследований на территории бывшего СССР выявлены районы с повышенным содержанием стронция в почвах. Это торфяно-болотные почвы Хибинской тундры, образовавшиеся в продуктах выветривания щелочных пород; чернозёмы Башкирского Зауралья; светло-каштановые почвы Казахстана; серозёмы Средней Азии; горные подзолистые почвы Приамурья. Много стронция содержится в некоторых районах Амур-

ской и Читинской областей, где распространены развитые подзолистые, луговые и лугово-болотные почвы.

Повышенное содержание стронция характерно для пойменных и аллювиальных почв. Установлено, что колебания концентраций стронция в почвах Карелии составляли от 40 до 900 мг/кг почвы. Выявлено, что почвы с очень высокой концентрацией стронция расположены вдоль карельского берега Белого моря (аллювиально-маршевые почвы) (Тойкка, 1981).

Содержание стронция в почвах Краснодарского края в среднем в 2-3 раза меньше среднего для почв бывшего СССР, особенно в горных некарбонатных почвах влажной зоны и легких аллювиально-луговых. В среднем наиболее насыщены стронцием аллювиально-луговые почвы долин рек и пе-регнойно-карбонатные почвы горной зоны, т.е. те почвы, почвообразующие породы которых особенно богаты этим элементом (табл. 5). Таблица 5. Содержание стронция в почвах Краснодарского края (Тонконо-женко, 1973)

Почва Содержание, мг/кг

Чернозёмы малогумусные карбонатные 271-259

Чернозёмы малогумусные выщелоченные 167-187

Чернозёмы слитые 119-155

Чернозёмы слабогумусные 167-279

Чернозёмы среднегумусные выщелоченные 209

Лугово-чернозёмные 298-410

Аллювиально-луговые 316-414

Лугово-�