Комплексная оценка техногенного воздействия предприятий черной металлургии на окружающую природную среду центра европейской России

Таблица 12.

Устойчивость к техногенному загрязнению видов напочвенного покрова лесов

Примечание: 1 балл - быстрая деградация; 2 балла - медленная деградация; 3 балла - обилие и проективное покрытие вида мало изменяются; 4 балла - наблюдается увеличение обилия и проективного покрытия.

Рис.3. Соотношение (%) видов эколого-фитоценотических групп в некоторых ассоциациях ельников в южной тайге в зоне влияния «Северстали»

Условные знаки: 1 - ельник зеленомошный чистый; 2 - ельник чернично-зеленомошный; 3 - ельник березово-чернично-зеленомошный; 5 - ельник березово-осоково-черничный; 5 - ельник костянично-кисличный; 6 - ельник вейниково-кисличный; 7 - ельник осиново-кисличный.

Рис. 4. Соотношение (%) эколого-фитоценотических групп видов на лугах северо-восточной части водоохраной зоны Рыбинского водохранилища

Развитию буферности способствует содержание в почве вторичных минералов в составе тонкодисперсных частиц (физическая глина), определяющих её гранулометрический состав, а также процент содержания в почве органических веществ (гумуса) и реакция среды (рН). При гигиенической оценке почв агроландшафтов учитывается транслокационный показатель вредности ЗВ и возможности их проникновения в растения, а также влияние на здоровье человека. Чем меньше буферность почвы, тем более опасное загрязнение. При одинаковом индексе загрязнения почв (ИЗП) загрязнение более опасно для кислых почв, почв с меньшим содержанием гумуса и более легким гранулометрическим составом. По данным наших исследований опасность загрязнения почв ТМ возрастает в последовательности: чернозем<серые лесные почвы<дерново-подзолистые суглинистые<дерново-подзолистые супесчаные и песчаные. А по природным зонам и подзонам получается ряд: южная лесостепь<северная лесостепь<подзона широколиственно-хвойных лесов лесной зоны<подзона южной тайги<подзона средней тайги<подзона северной тайги.

Таблица 13

Возможности использования и санации в разной степени загрязненных почв агроландшафтов

В лесостепной зоне, подзоне северной лесостепи (Тульская область) преобладают серые лесные почвы на севере и в центре области, а в южной части имеются оподзоленные черноземы. Серые лесные почвы развиты преимущественно на бескарбонатных или глубоковыщелоченных породах: моренных и покровных суглинках. Пространственное распределение почв зависит от геоморфологических условий. Наблюдается разная скорость процессов выщелачивания в зависимости от относительной высоты местности и расчленённости рельефа. При возвышенном и сильно расчленённом рельефе эти процессы идут быстрее, а в понижениях и на плоских равнинах эти процессы затруднены. Поэтому при движении вниз по склону степень оподзоленности почв уменьшается.

На водоразделах и пологих склонах в широколиственных лесах доминирует липа, к ней примешиваются дуб, ясень, клен равнинный, вяз и др. В напочвенном покрове обычно преобладают пролесник многолетний, зеленчук желтый и сныть. Атмосферный воздух и почвы Тульской области на больших территориях довольно сильно загрязнены. Вокруг г. Тулы и в г. Туле загрязнение связано в основном с наличием техногенных выбросов черной металлургии. Проведенная снеговая съемка показала значительное загрязнение прилегающей к Косогорскому металлургическому комбинату территории. Содержание цинка и свинца превышает контроль на большинстве опробованных точек в 2-8 раз. Выявлено также превышение концентрации нитратного азота, сульфатов, соединений фтора. В почвах выявлено загрязнение бензолом, бенз(а)пиреном и толуолом.

Образцы почв с участков проанализированы методом рентгеноспектрального анализа в ГЕАХИ им. В.Вернадского (табл. 14).

Таблица 14.

Содержание в почве ключевых участков оксидов и тяжелых металлов, %

Примечание: Исследованные участки: 1- 32 км от Косогорского металлургического комбината, березняк; 2 - 25 км, липняк; 3 - 18 км, луг безостокострецово-разнотравный; 4 - 12 км, поле с посевом клевера лугового и райграса пастбищного; 5 - 12 км, луг; 6 - 10 км, залежь с зарослями хвоща полевого; 7 - 7 км, луг злаково-разнотравный; 8 - 5 км, луг (вейник тростникововидный + золотая розга обыкновенная); 9 - 3 км, скошенный луг, отава; 10 - 1 км - сорняки + участки луга; 11 - 0,5 км, заросли бодяка + участки луга; 12 - 0,1 км от завода - луг (костер полевой+гулявник+ недотрога мелкоцветная).

Особенно мощные заросли бодяка зафиксированы на расстоянии 1,0; 0.3 км от комбината. Заросли почти непроходимые, так как очень густые и высокие (до 2 м). Как отмечалось нами ранее, бодяк (Cirsium arvense) способен без существенного вреда для себя накапливать в своих органах значительное количество техногенных загрязнений, что объясняет его преобладание на сильно загрязненных территориях. Кроме того, при маршрутных обследованиях территории в зоне действия завода нами выявлено, что в зоне среднего загрязнения на расстоянии 5-10 км от завода получили распространение заросли адвентивного растения - золотой розги канадской (Solidago сanadensis L.) и реже аборигенного вида - золотой розги обыкновенной (Solidago virgaurea L.). Бодяк и виды золотой розги принадлежат к семейству астровых (сложноцветных), что очевидно говорит о способности видов этого семейства к значительному накоплению загрязнений.

Вблизи г. Череповец также отмечается преобладание видов астровых на загрязненной территории: бодяк, полынь обыкновенная (Artemisia vulgaris L.), мать-мачеха (Tussilago farfara L.). Поэтому преобладание данных видов на заброшенных лугах и пашнях индицирует площади и границы техногенного загрязнения. В Чехии (Bednarova, 1988) в группу преобладающих на наиболее техногенно загрязненных территориях также включены в основном виды семейства астровых: Achillea millifolium, Jacea pannonica, Tussilago farfara L. Биоиндикаторы бывают регистрирующими и накапливающими (Груздева, Шаповалов, Груздев, 2008).

Большую актуальность приобрела проблема очистки почв от ЗВ как в России, так и за рубежом. В этих целях всё более широко внедряется в практику метод фиторемидиации - извлечения ЗВ из почвы с помощью растений гипераккумуляторов, в качестве которых предпочтительно использовать неприхотливые растения с коротким вегетационным периодом, способные без особого вреда для себя поглощать из почвы ТМ и другие ЗВ и наращивать большую биомассу, которая в дальнейшем убирается и удаляется. В их надземной биомассе может накапливаться в 10-1000 раз больше ТМ, чем у большинства растений. К гипераккумуляторам, как показано нами выше, относятся многие растения семейства астровых (мать-мачеха, золотая розга канадская, золотая розга обыкновенная, кресс-салат и др.), а также представители семейства капустных (горчица полевая, горчица сизая), крапива двудомная. Для санации техногенно загрязненных почв в различных странах применяют ряд видов культурных растений (Сискевич, Никонова, 2008): Agropyron pectinatum (Bieb.) Beauv., виды капусты, редьку, подсолнечник, сорго сахарное, а также дикорастущие виды: щетинник зеленый, пырей ползучий и другие. Опытами (Сискевич, Никонова, 2008) показано, что яровой рапс при загрязнении почвы ТМ накапливает ТМ в биомассе, поэтому он может применяться для санации почв, учитывая также, что уже применяется его биомасса для получения биотоплива.

Так как устойчивость почв к загрязнению увеличивается при увеличении содержания гумуса, то для уменьшения загрязнения рекомендуется вносить в почву навоз, торф, гуматы, ионообменные смолы. Гуминовые удобрения снижают подвижность опасного загрязнителя - кадмия. Более устойчивы к загрязнению почвы насыщенные основаниями кальция и магния. Рекомендуется применять гуматы кальция и магния, так как они препятствуют накоплению кадмия в товарной продукции растениеводства (зерне и пр.). Орошение растворами гуматов крон деревьев кустарников позволяет избежать развития в листьях хлороза и некроза. Внесение гуматов в почву вместе с минеральными удобрениями позволяет сократить дозу минеральных удобрений на 30-40%.

Для санации почв всё шире применяются не только гуматы, но и различные гуминовые вещества, выпускаемые различными фирмами. Так, ООО «Агросинтез» производит гуминовый сорбент «Гумигель». При внесении в почву он активизирует деятельность почвенных микроорганизмов и адсорбирует нефтепродукты и ТМ. Для очистки почв от ТМ рекомендуется вносить гумигель под основную обработку почвы, сопровождая её перемешиванием почвы. Толерантность микроорганизмов к загрязнению почвы зависит от их принадлежности к различным систематическим группам. Очень чувствительны к высоким концентрациям ТМ виды бактерий рода Bacillus, нитрифицирующие бактерии, поэтому при загрязнении происходит обеднение почвы азотом. Несколько более устойчивы псевдомонады, стрептомицеты, целлюлозоразрушающие микроорганизмы, и самые устойчивые - грибы и актиномицеты.

Выяснено, что в лесу грибы, произрастающие на техногенно загрязненных территориях накапливают ТМ и другие загрязнения в своих плодовых телах (шляпочные грибы). Загрязнение ТМ плодовых тел шляпочных грибов связано также с тем, что их грибница располагается в основном в лесной подстилке, где накапливаются загрязнения, оседающие из атмосферного воздуха.

При низких концентрациях ТМ сначала наблюдается некоторая стимуляция развития микроорганизмов почвы, но с нарастанием концентрации ТМ всё больше проявляется ингибирование деятельности почвенных микроорганизмов, что, в целом, приводит к снижению биологической активности почв. Степень подавления жизнедеятельности почвенных микроорганизмов зависит от вида ТМ. Свинец нарушает процессы дыхания и ингибирует деятельность ферментов. Ионы кадмия при достижении концентрации 12 мг/кг почвы нарушают деятельность азотфиксирующих микроорганизмов, низших грибов. Некоторые актиномицеты и низшие почвенные грибы при загрязнении кадмием быстро элиминируют. Для зон воздействия предприятий черной металлургии особенно характерно загрязнение почв цинком. Повышенные концентрации цинка тормозят деятельность целлюлозоразрушающих микроорганизмов, что может в лесах способствовать накоплению плохо разложившейся лесной подстилки и сукцессионным сменам напочвенного покрова. Следует также учитывать синергическое воздействие комплекса ТМ.

При комплексном загрязнении почв ТМ кроме ИЗП предлагается использовать критерий суммарной фитотоксичности металлов. В Англии предложили использовать цинковые единицы, то есть, сравнение токсичности металлов с токсичностью цинка. Сельскохозяйственные культуры и их сорта обнаруживают разную устойчивость к ТМ. В целом, их можно расположить в порядке убывания в ряд: травы>злаковые>зерновые>картофель>сахарная свекла. Особенно нежелательно на загрязненных почвах выращивать овощи. Фитотоксичным считается такое содержание ТМ в почве, которое снижает урожайность растений на 10% и более по сравнению с контролем. В качестве критерия используется ПДК содержания ТМ в растениеводческой продукции. Почву можно считать условно чистой, если концентрация ТМ в фазу технической спелости культур меньше ПДК. Для определения фитотоксичности можно применять биотестирование, для этих целей нами применены в качестве биотестов редис и салат

Использование биоиндикаци при мониторинге состояния ОС наряду с геохимическими и гидрохимическими исследованиями позволяет провести комплексный анализ состояния ОПС, прогнозировать её дальнейшее изменение, и разработать мероприятия по оптимизации природопользования. Таблица 14 иллюстрирует особенности воздействия техногенных выбросов предприятий черной металлургии на компоненты ландшафтов природных зон, подзон и провинций. Можно видеть, что природный потенциал ландшафтов увеличивается при движении от южной тайги к южной лесостепи. В лесной зоне почвы кислые, в северной лесостепи, слабо кислые, а в южной лесостепи нейтральные. Для техногенных выбросов предприятий черной металлургии, в отличие от цветной металлургии, характерно постепенное подщелачивание почв в результате накопления оксидов кальция и магния. Скорость этого процесса зависит от изначальной величины рН почв, объема техногенных выбросов и периода их накопления.

В подзоне южной лесостепи лесостепной зоны расположен Ново-Липецкий металлургический комбинат (НЛМК). На комбинате большое внимание уделяется внедрению природоохранных технологий черных металлов, но всё же неблагоприятное воздействие техногенных выбросов на состояние ОПС сохраняется. В целом, в г. Липецке техногенные выбросы от стационарных источников в 2007 году составили 382,9 тыс. т загрязняющих веществ (ЗВ), из них 355,7 тыс. т приходится на техногенные выбросы ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат». Областной центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в месяц исследует почти 3000 проб атмосферного воздуха.

Проводится мониторинг содержания в воздухе взвешенных веществ (пыли), диоксида серы, оксида углерода, диоксида азота, сероводорода, фенола и формальдегида. В 2007-2008 гг среднемесячная концентрация превышала ПДК по фенолу и формальдегиду и взвешенным веществам в несколько раз. Превышение ПДК_мр непосредственно_о под факелом НЛМК не зафиксировано, но на расстоянии 1 км ПДК_мр по диоксиду азота превышено в 1,15 раза, по взвешенным веществам - в 1,1 раза, по фенолу - в 1,4 раза. В реке Воронеж в г. Липецке загрязняющими веществами являются азот нитритный, азот аммонийный, органические вещества, медь, цинк, нефтепродукты. Периодически в воздухе превышены концентрации меди, свинца и никеля. Загрязнение ОС свинцом привело к его накоплению в волосах детей (15,9±3,0 мкг/г). Это повышенный уровень свинца, так как на фоновых территориях содержание свинца в волосах детей 3-6 мкг/г. У детей раннего возраста наблюдается задержка психомоторного развития. Коксохимическое производство НЛМК является источником выделения в ОС диоксинов. В грудном молоке женщин его фоновые уровни превышены в несколько раз. В районах, прилегающих к НЛМК, зафиксирована наиболее высокая смертность и заболеваемость населения.

Таблица 15

Характеристика воздействия техногенного загрязнения от предприятий черной металлургии по зонам, подзонам и провинциям

Защита ОС является одним из важнейших приоритетов деятельности НЛМК. Компания последовательно добивается сокращения воздействия производственной деятельности на ОПС, а также стремится обеспечить благоприятную среду проживания для населения города и регионов своей производственной деятельности. В 2007 году НЛМК признан лауреатом Всероссийского конкурса «Лидер природоохранной деятельности в России - 2007». Связь миссии, целей и стратегии бизнеса НЛМК с защитой ОС закреплена в основном документе Компании, касающемся природоохранной сферы - «Экологической политике ОАО «НЛМК».

С 2000 по 2007 год НЛМК увеличил производство стали на 10%, чугуна на 18%, агломерата на 16%, кокса на 5%. Несмотря на увеличение объемов производства продукции, уровень негативного воздействия на ОС систематически снижается (рис. 7). В рамках первого этапа технического перевооружения удалось добиться устойчивой положительной динамики по улучшению экологической ситуации в районе размещения основного производства. Комплексный индекс загрязнения атмосферы г. Липецка по данным регионального центра Росгидромета снизился в три раза, что связано, в частности, с увеличением уровня финансирования экологических программ. Уровень финансирования возрос в 11 раз: со 130 млн. руб. в 2000 году до 1536 млн. руб. в 2007 году.

Рис. 7. Зависимость комплексного индекса загрязнения атмосферы г. Липецка от объема производства стали.

В 2000 году было отмечено превышение загрязнения атмосферного воздуха по 8 веществам, и доля замеров с превышением нормативов составляла около 80%. В 2007 году зафиксировано превышение по нафталину на 23% и 9% по пыли. Валовый выброс ЗВ закономерно снижается (рис. 8). В настоящее время на НЛМК внедрено несколько природоохранных мероприятий, но в предыдущие годы загрязнение ОС происходило более интенсивно, поэтому в зоне влияния НЛМК почвы остаются загрязненными, что связано также с непромывным режимом черноземов. Вблизи завода (100 м) в верхнем слое почв содержание Pb, Cr, Ni, Cu, Zn превышает ПДК в 2-8 раз, но в более глубоких слоях содержание ТМ близко к фоновому (табл. 16). Зона сильного загрязнения распространяется на 1,5-2,5 км. При удалении от завода загрязнение почв наблюдается преимущественно на пашне и лугах, где в почву поступают загрязнения из атмосферы. В лесных же сообществах на расстоянии 5-10 км почвы слабо загрязнены ТМ, так как техногенные загрязнения оседают на кронах, а при поступлении в почву поглощаются деревьями и кустарниками и надолго в них задерживаются.

Рис. 8. Валовый выброс загрязняющих веществ в атмосферный воздух

г. Липецка, тысяч тонн.

Большое негативное воздействие на ОС продолжает оказывать агломерационная фабрика, принадлежащая НЛМК, но расположенная в некотором отдалении. Здесь преобладают серые лесные почвы, а также боровые слабогумусированные пески (боровая терраса). Растительный покров представлен сосняками в стадии жердняка (35-40 лет), полнота древостоя 0,4-0,6, сомкнутость крон 0,5. Зона сильного техногенного воздействия распространяется на 350-400 м, формируется «техногенная пустыня». Большое количество сосен усохло, а у остальных хвоя укорочена и охвоение слабое, много усохших ветвей. Травянистый покров слабо развит и представлен в основном сорными многолетними видами. На расстоянии 0,6 - 1,5 км усыхание и отпад сосен уменьшается, но жизненность их остается низкой. Основное негативное воздействие на почвенный и растительный покров оказывает поступающая с фабрики пыль, в составе которой много оксидов кальция, магния и других (табл. 16), что увеличивает рН верхнего слоя почв до 8.1-8,3 (щелочная реакция). В зоне техногенного воздействия агломерационной фабрики на поверхности сформировался техногенный слой мощностью до 2 см. Гранулометрический состав техногенного слоя характеризуется резким преобладанием (90%) частиц пыли размером 0,25-0,05 и 0,05-0,01 мм. По сравнению с фоном содержание частиц 1-0,25 мм уменьшено в 6-8 раз и преобладает крупная пыль техногенного происхождения.

Таблица 16.

Фоновое содержание тяжелых металлов (мг/кг) в горизонтах чернозема типичного среднегумусного тяжелосуглинистого (Ямская степь)

Таблица 17.

Содержание некоторых оксидов в светло-серых лесных почвах в зоне техногенного воздействия агломерационной фабрики НЛМК, % (по: Джувеликян, 2007)

Анализ данных таблицы 16 показывает, что поступление на почву техногенных выбросов привело к подщелачиванию почв (рН - 8,0-8,3), что в основном объясняется поступлением большого количества оксидов кальция и магния. Развитие щелочной реакции почв снижает биологическую активность почв и негативно влияет на развитие растительного покрова. Сосны к воздействию запыления неустойчивы, поэтому для уменьшения негативного воздействия пылевых выбросов рекомендуется в СЗЗ посадить засухоустойчивые лиственные породы, которые, в отличие от сосны, ежегодно сбрасывают листья и избавляются от накопившейся пыли.

В современный период в связи с обострением проблем состояния окружающей природной среды и её компонентов все большее значение приобретает использование для её оценки методов биоиндикации. Биоиндикация - выявление количественных и качественных параметров окружающей среды и её компонентов на основе анализа изменения морфологии, химического состава, жизненности и распространения видов организмов и их сообществ.

Биотестирование - определение параметров окружающей среды и её компонентов при помощи видов организмов, выполняющих роль биотестов. Для проведения биотестирования нами использованы образцы почвы, собранные в пределах водоохранной зоны Рыбинского водохранилища, на разном расстояния от комбината «Северсталь», по зонам техногенного загрязнения. В качестве биотестов мы использовали: 1. Салат «Король мая» (сем. Астровых); 2. Горчица салатная, сорт «Ядреная» (сем. Капустные) (рис.9). Семена были высеяны в образцы почвы, помещенной в кюветы. Опыты по биотестированию проведены в январе 2007г. Для освещения использована лампа дневного света, которая включалась с 7 утра до 19 часов. При нарастании загрязнения рост корней постепенно снижался, причем, на урбаниземе их длина была в 4-5 раз меньше. На фоновой территории корни достигают 50-70 мм в длину, дают боковые корни и цвет корней светлый. Кроме того, начиная с зоны среднего загрязнения, на корнях образовывался бурый пробковый слой, и они утолщались. Это говорит о проявлении тактики «ухода корней» от загрязнений. Анализ данных рис. 9 показывает, что по зонам техногенного воздействия рост проростков горчицы «Ядреной» закономерно снижается с нарастанием загрязнения.

Рис. 9. Рост проростков и корней горчицы салатной «ядреной» на образцах почвы с ключевых участков (табл. 6.29): 1 - 55 км; 2 - 50 км; 3 - 25 км; 4 - 18 км; 5 - 10 км; 6 - 4 км; 7 - 2 км.

Устойчивость видов растений связана с их структурно-функциональными особенностями, происхождением из конкретных природных зон и регионов, принадлежностью к определенным жизненным формам (экобиоморфам). Так, проведенное нами обследование зеленых насаждений г. Москвы показало, что в условиях напряженных транспортных магистралей, где многие годы имело место зимнее засоление почв и постоянная загазованность воздуха, более устойчивыми оказались породы, интродуцированные с южных зон, где для почв характерно некоторое засоление. Хорошую устойчивость в этих условиях показали клен татарский и каштан конский, местные же породы - береза повислая (Betula pendula Roth.) и липа мелколистная (Tilia cordata Mill.) на всех напряженных магистралях деградировали, потеряли декоративность и поэтому подвергаются вырубке.

Устойчивые и неустойчивые виды отличаются своим метаболизмом. Устойчивые виды имеют более высокий уровень поглощения и накопления токсикантов в тканях в сублетальных и летальных дозах. Кроме того, они обладают активными процессами детоксикации. Повышение газоустойчивости в некоторых случаях достигается активизацией синтеза белков, нуклеиновых кислот, пигментов, повышением уровня аккумуляции металлов, особенно железа, марганца, магния и др.

Под влиянием загрязнения воздуха у высших растений сдвигаются фазы их сезонного развития. Наблюдается массовое запаздывание (на 2-3 недели) весной распускания почек, развертывания листьев, цветения. Количество плодов и их размер уменьшаются и созревают плоды быстрее. В целом, у многих видов растений вегетационный период укорачивается на 20-70 дней. Таким образом, фенологические наблюдения также индицируют степень техногенного и рекреационного воздействия на экосистемы и виды. Хвойные леса по сравнению с лиственными обнаруживают в целом меньшую устойчивость к техногенному загрязнению, что связано с их вечнозеленостью и накоплением в живущей несколько лет хвое токсикантов. По наблюдениям в Тимирязевской лесной даче (ТСХА) хвоя у сосны в условиях атмосферного загрязнения сменяется не через 3-5 лет, а через 1-2 года.

В лесных экосистемах в результате техногенного загрязнения первоначально страдает древостой, в дальнейшем при пролонгировании воздействия начинают страдать нижние ярусы сообществ. По нашим наблюдениям из травяно-кустарничкового покрова лесов в первую очередь исчезают корнеподстилочные таежные виды (таежное мелкотравье). Под влиянием техногенного стресса древостои ослабляются и подвергаются заселению стволовыми вредителями. Заселенность короедом достигает 3-65%, поражение опенком - 46 %. Роль растительности в мониторинге техногенного загрязнения особенно велика, благодаря её интегрирующей роли в природном ландшафте. Травы и кустарнички напочвенного покрова лесов обладают разной экологической стратегией (Пьянков и др., 2001), относятся к разным жизненным формам, отличаются по химическому составу, эффективности использования ресурсов среды и устойчивостью к экологическому стрессу, что используется при мониторинге. Установлено, что группа рудералов (растения свалок, замусоренных и придорожных местообитаний) отличается высоким содержанием минеральных веществ, органических кислот и азота, они более легко приспосабливаются к техногенному загрязнению. Наоборот, лесные полукустарнички (майник, грушанки, седмичник) растут медленно, а для синтеза защитных веществ требуются дополнительные затраты энергии. Вследствие этого они быстрее других групп видов элиминируют (снижают обилие, рост и встречаемость).

Ненарушенные лесные экосистемы имеют большую продуктивность и биоразнообразие. Для лесных экосистем в соответствии с их зональной и региональной принадлежностью присуще определенное соотношение эколого-фитоценотических групп видов. В ненарушенных и слабо нарушенных лесных экосистемах напочвенный покров состоит преимущественно из лесных видов, относящимся к таежным, боровым и дубравным (неморальным) эколого-фитоценотическим группам видов. При антропогенных нарушениях в лесные экосистемы внедряются представители луговых, лугово-болотных, сорных, рудеральных и других эколого-фитоценотических групп.

Наиболее чувствительны виды, у которых корневища и корни расположены в лесной подстилке и дернине, в которых в основном и накапливаются ЗВ. Виды с глубокой корневой системой имеют в условиях загрязнения преимущества и поэтому долго удерживают свои позиции в растительных сообществах.

Нами выявлено, что по зонам техногенного загрязнения происходит закономерное изменение флористического состава и снижение биоразнообразия, так как с нарастанием загрязнения из травостоя выпадают наиболее чувствительные к нему виды.

На лугах наибольшую чувствительность к загрязнению обнаружил клевер луговой, который сначала снизил обилие, а затем исчез из травяного покрова. В отличие от клевера сорные (бодяк и др.) и рудеральные растения (мать-и-мачеха, полынь обыкновенная и др.) способны в своем теле накапливать значительные количества металлов, поэтому на загрязненных ТМ территориях они получают наибольшее распространение. изменение соотношения эколого-фитоценотических групп видов (рис. 10). Из рисунка 10. можно видеть, что на фоновой территории (55 км) флористический состав щучковых лугов почти исключительно состоит из луговых видов. При слабом загрязнении (45 км) преобладают луговые и лугово-болотные виды, при среднем загрязнении (25 и 18 км) продолжается преобладание луговых видов по процентному отношению, но их количество падает с 18 видов до 6-7 видов.

Рис. 10. Соотношение эколого-фитоценотических групп видов на щучковых лугах на разном расстоянии от «Северстали».

При довольно сильном и сильном загрязнении (10 и 4 км) роль луговых видов резко сокращается, в травостое присутствует только 3 вида луговых трав, и резко возрастает роль сорных и рудеральных видов, отличающихся способностью без особого вреда для себя накапливать в своем теле ТМ. Таким образом, флористический состав лугов индицирует степень техногенного загрязнения почв и воздуха.

Для каждой природной подзоны и провинции выявлены растения индикаторы техногенного воздействия. Индикаторное значение имеет не только присутствие видов, но и их отсутствие, что выявляется при сравнении геоботанических описания для зон техногенного воздействия. Выпадение видов растений из растительного покрова происходит с нарастанием техногенного воздействия и достижения критического уровня содержания в почве ЗВ. Наибольшую чувствительность имеют бобовые травы, особенно клевера, несколько менее чувствительны злаки. Воздействие техногенных выбросов вызывает сукцессии (направленные смены) в растительном покрове, ведущие к постепенному снижению биоразнообразия.

Внедрение на предприятиях природоохранных мероприятий будет способствовать постепенной стабилизации состояния ОС. Но так как на сильно загрязненных и довольно сильно загрязненных территориях в ОС уже произошли значительные изменения, то необходимо разработать и внедрить санирующие мероприятия, в которых необходимо учесть природные особенности техногенно нарушенных территорий, т.е. их расположение в природной зоне, подзоне и ландшафтной провинции. С учетом сказанного нами разработаны практические рекомендации (приведены в диссертации).

Заключение

1. Разработана концепция зонально-провинциального проявления техногенного воздействия черной металлургии на окружающую природную среду. Показано, что ответная реакция ландшафтов и их компонентов на техногенное загрязнение зависит не только от объема и состава последних, но также от положения ландшафта в природной зоне, подзоне и провинции. Ответная реакция ландшафтов на техногенное загрязнение зависит от структуры и гранулометрического состава почв, содержания в ней гумуса и обменных оснований и от реакции почвенного раствора. Реакция растительного покрова на техногенное загрязнение зависит от исходной структуры и видового состава растительных сообществ, наследственной природы видов растений, их устойчивости к воздействию техногенного загрязнения. В связи с неодинаковой реакцией ландшафтов зон, подзон и провинций на техногенное загрязнение в них происходят разно направленные сукцессии в почвенном и растительном покрове. Это определяет характер неблагоприятных изменений почв и растительности, а также необходимые мероприятия по санации техногенно загрязненных почв, их использованию, внедрению мероприятий по улучшению состава растительного покрова.

2. Черная металлургия одна из важнейших отраслей тяжелой промышленности, от которой зависит технический прогресс. Во многих регионах России предприятиям черной металлургии принадлежит ведущая роль в загрязнении окружающей среды (ОС) что связано с многостадийностью отрасли, переработкой значительных масс сырьевых материалов, большим разнообразием технологических процессов и приемов, а также с наличием крупных предприятий с полным циклом. К предприятиям с полным циклом относится комбинат «Северсталь», расположенный в Череповце, Ново-Липецкий металлургический комбинат, Тула-Чермет и др. К предприятиям с передельной металлургией, работающей на привозном металлоломе, относится Омутнинский металлургический комбинат в Кировской области. Электрометаллургия развита в г. Электросталь, в Московской области.

3. На всех этапах производства черных металлов образуется пыль, содержащая железо, кальций, магний и другие металлы. На некоторых стадиях металлургического цикла образуются газы, шлаки и шламы. Очень вредны для ОС газовые выбросы от предприятий черной металлургии, содержащие SO₂, NO, NO₂ и другие вещества. На объемы техногенных выбросов и их состав влияет технология и оборудование, применяемые при производстве и обработке металлов. Пылевые выбросы предприятий черной металлургии являются важным источником эмиссии вредных веществ в ОС. Формирование техногенных геохимических аномалий в атмосферном воздухе, в снеговом покрове и почвах в значительной мере обусловлено поступлением в атмосферу и последующим осаждением на подстилающие поверхности промышленной пыли.

4. Выделение на всех стадиях металлургического цикла газов и пыли существенно ухудшает состав воздуха производственных предприятий. В воздухе рабочей зоны металлургических предприятий содержатся аэрозоли, металлы и другие вещества, оказывающие неблагоприятное влияние на здоровье рабочих. Наиболее вредна мелкодисперсная пыль. Поэтому внедрение новых технологий на стадиях металлургического цикла важно как с экономической, так и с экологической точки зрения. На Омутнинском металлургическом заводе с участием В.С..Груздева проведена работа по совершенствованию технологии производства стальных фасонных профилей малых сечений. В построенной технологической линии произведена замена холодного волочения горячим, что позволило значительно уменьшить образование пыли и газов. За счет меньших габаритов установки увеличился объем воздуха в производственном помещении, сократилось количество рабочих операций. Это дало значительный экономический и экологический эффект.

5. Загрязнение окружающей природной среды (ОПС) предприятиями металлургического комплекса и их влияние на ландшафты и экосистемы связано с уровнем применяемых технологий, их экологичностью, качеством и количеством используемого сырья, объемом и составом выбросов, сбросов и твердых отходов, положением предприятия в определенной географической зоне, подзоне и ландшафтной провинции, характером рассеивания, составом и структурой компонентов ландшафта.

6. Загрязнение атмосферного воздуха выбросами металлургических предприятий изменяет направления динамических процессов в экосистемах, вызывает техногенные сукцессии в растительном и почвенном покровах, приводит к снижению биоразнообразия и биологической активности почв. Наибольшей чувствительностью к воздействию техногенного загрязнения характеризуются лесные и луговые виды, а сорные и рудеральные виды могут накапливать в своих органах значительные количества тяжелых металлов (ТМ) и часто увеличивают обилие на загрязненных территориях. На вегетирующие растения большое влияние оказывают газовые выбросы, приводящие к процессам хлороза и некроза в листьях.

7. Почвы природных зон, подзон и провинций к воздействию техногенного загрязнения обнаруживают разную степень устойчивости, что связано с их изначальной кислотностью, содержанием гумуса и обменных оснований. К накоплению ТМ показали очень низкую устойчивость бедные, кислые почвы, характерные для средней тайги. Низкую устойчивость проявляют кислые почвы южной тайги с содержанием гумуса не более 2%. Почвы южной тайги в целом более устойчивы, чем почвы средней тайги: средне устойчивы нейтральные малогумусные почвы. Почвы лесостепи (серые лесные и черноземы) к накоплению подвижных форм ТМ более устойчивы, что связано с высоким содержанием в них гумуса. Например, накопление цинка в зоне сильного загрязнения в г. Череповце превышает ПДК в десятки раз, а в г.Липецке в 2-6 раз.

8. Пыль, выбрасываемая предприятиями черной металлургии, содержит большое количество оксидов кальция и магния, вызывающих подщелачивание почв. Степень подщелачивания почв при движении от южной тайги к южной лесостепи постепенно возрастает, что связано с тем, что природная кислотность почв к югу уменьшается. В результате этого одно и то же количество выбросов, что и в лесной зоне в г. Липецке привело к формированию сильно щелочных почв с рН более 8,1-8,3. Поэтому, в связи с непромывным режимом черноземов в зоне сильного воздействия агломерационной фабрики Новолипецкого металлургического комбината сформировалась техногенная пустыня. На почве сформировался техногенный горизонт (1-4 см), состоящий из техногенных выбросов агломерационной фабрики. Его формирование связано с непромывным режимом почв. Семена трав в этом горизонте не прорастают.

9. В настоящее время, в связи с введением на «Северстали» оборотного водоснабжения и некоторых других природоохранных мероприятий, общий уровень техногенных выбросов несколько снизился. Общий объем выбросов SO₂ в 1992 году достигал 40,6 тыс.т в год, а в 2004 году он снизился до 29,8 тыс.т в год. Выбросы N₂ с 33,6 тыс.т снизились до 25,0; выбросы СО - с 401,2 снизились до 285,2 тыс.т. в год. Уровень загрязнения воздушной среды г. Череповца, г. Электростали, г. Тулы и г. Липецка остается высоким. Кроме того, в компонентах ландшафтов за годы работы комбинатов (Северсталь -53 года, Электросталь - 90 лет) накопились значительные количества загрязнений, что уже отразилось на состоянии почв, растительности и вод. На Ново-Липецком металлургическом комбинате разработана и внедрена программа охраны ОС. Объем техногенных выбросов сократился, но в ОС уже накопилось много ЗВ. Следует учесть, что почвы южной лесостепи имеют непромывной водный режим и процессы вымывания сдерживаются большим количеством гуминовых кислот, поэтому для санации техногенно загрязненных почв необходимы специальные мероприятия (см.: практич. рекомендации).

10. На основе химических анализов почв и растений, данных биоиндикации, биотестирования и статистических данных выделены зоны техногенного воздействия предприятий черной металлургии на прилегающие территории. Вблизи комбинатов (до 2 км) выделена зона сильного загрязнения. Здесь концентрация в атмосферном воздухе оксидов азота достигает 3…6 ПДК, фенола - 2…3 ПДК; сероводорода - 3…4 ПДК, пыли 1,5 - 4 ПДК, аммиака - 1-3 ПДК; СО 1..2 ПДК. Зона довольно сильного загрязнения (до 5 км); среднего (до 15-20 км); слабого (до 50 км); фоновая территория (дальше 50-60 км). Несколько меньше размеры этих зон в районе завода «Электросталь», так как электорометаллургия меньше загрязняет ОС, чем предприятия полного цикла.

11. Изменение почв в зоне техногенного загрязнения связано с постепенным накоплением ЗВ. Накопление в почве магния и кальция, поступающего с пылью привело к карбонитизации почвы, что вызвало постепенное все более сильное подщелачивание почвы. Исходная кислотность почв в зоне действия комбината «Северсталь» была кислой и слабо кислой (рН - 5,5-6,5). В 1995 году на расстоянии 2 км от «Северстали» рН была 7,3…7,5, а в 2006 году 7,5…7,7, местами 8,0. Валовое содержание железа в почве с 1995 года с 10-13 % возросло до 13-15 %. Увеличилось также содержание цинка и других ТМ. Выявлено, что почвы, богатые органическим веществом, содержат меньше подвижных ТМ, так как они образуют нерастворимые комплексы с органическими веществами.

12. Техногенное загрязнение от выбросов черной металлургии можно выявить по преобладанию в растительном покрове устойчивых к загрязнению растений-биоиндикаторов. Выявлено, что наиболее устойчивы к загрязнению виды семейства астровых. Для лесной зоны особенно характерно ра...