Экологическое состояние природных и антропогенных ландшафтов Центрального Черноземья

Аэрозоли Шинного завода характеризуются значительным содержанием радиоизотопов цинка (Zn⁶⁹), в то время как содержание остальных - невелико. Наличие большого количества цинка связано со значительным использованием его окиси в процессе производства резины.

Таблица 8. Радиоизотопный состав аэрозолей некоторых предприятий г. Воронежа

Таблица 9. Характерные радиоизотопы ряда промышленных предприятий г. Воронежа

Анализ наших данных показывает, что большинство изотопов многих элементов не оказывают видимого влияния на загрязнение почвы и растительности, в то же время крайне не желательно присутствие их в продуктах питания из-за токсичности изотопов таких элементов как As, Sb, Hg, Cd и др.

Результаты исследований указывают на возможность применения НАА для определения источников и концентрации микропримесей в атмосфере.

5. Роль промышленных предприятий в загрязнении природной среды ЦЧР

5.1. Влияние открытой добычи железной руды на окружающую среду

Добыча полезных ископаемых открытым способом является одним из мощных видов техногенеза. Его воздействие на окружающую среду ежегодно возрастает и захватывает все большие территории. В условиях КМА, где ведутся интенсивные работы по открытой добыче железной руды, за последние десятилетия произошло значительное нарушение природных ландшафтов. Огромные площади заняты карьерами, отвалами пород, отходами первичного обогащения руд (хвостохранилищами) и др. Здесь сформировались особые техногенные ландшафтно-геохимические аномалии. Такие участки А.И. Перельман и Н.С. Касимов (1999) называют горнопромышленными ландшафтами (ГПЛ). Особенность ГПЛ - малоконтролируемое рассеяние огромного количества веществ с высоким содержанием соединений железа и других элементов, которые, как правило, отрицательно действуют на прилегающую территорию. Характерная особенность ГПЛ - наложение техногенного загрязнения на природные геохимические аномалии.

К настоящему времени в России наряду с множеством естественных и антропогенных источников загрязнения на долю горнорудных разработок приходится более 14 % всех видов загрязнений. Экологическая обстановка в бассейне КМА, где размещаются Лебединский, Стойленский и Михайловский горно-обогатительные комбинаты (ГОКи), является очень напряженной.

Исследования, выполненные на Лебединском карьере, показывают, что при массовых взрывах (1000 т взрывных веществ) ареал распространения частиц размером 100 мкм (с учетом розы ветров) достигает удаления 15-20 км, а время нахождения этих частиц в атмосфере - 1 ч. Частицы пыли диаметром до 10 мкм могут находиться в атмосфере до 2-3 суток и в зависимости от силы ветра опускаются на землю на максимальном удалении от места взрыва (до 1000 км).

С целью установления степени воздействия выбросов карьера и Лебединского ГОКа на прилегающую территорию вокруг этих объектов были отобраны и проанализированы образцы почв (табл. 10). Наличие тяжелых металлов (подвижные формы) определялось методом атомной абсорбции на спектрофотометре С_115 М.1, вытяжка - 1 н HNO3.

Почвенные разрезы закладывались на различном расстоянии от источников загрязнения с учетом розы ветров. Контрольным был разрез № 5 в заповеднике «Ямская степь» на удалении 10 км от Лебединского ГОКа.

Анализ данных показал (табл. 10), что на пахотных угодьях с ровным рельефом и ненарушенным профилем (разрезы № 1-6) величина накопления некоторых солей ТМ - Pb и Zn не превышает ПДК и находится на уровне зональных почв и фона. Превышение ПДК в черноземах обнаружено только для Cr, Rb, Ni и Cu, причем если для Cr и Cu превышение незначительно - соответственно до 10-13 и 5,8-6,0 мг/кг, то для Ni оно достигает 12,8-17,4 мг/кг. Повышенное содержание подвижных форм Cu, Cr и Ni в этих почвах согласуется со спецификой производства предприятий. Известно, что в процессе открытой добычи железной руды 6-8 % газопылевых выбросов, содержащих железо и его спутниов (Сr, Сu, Cо, Zn, Ni и т. д.), попадают на почвенно-растительный покров. Почва, являясь местом максимального накопления всех выбросов, выступает в роли мощного фильтра, который прочно фиксирует все ТМ и существенно ослабляет их попадание в надземную растительную массу и грунтовые воды. Исследуемые почвы в основном представлены черноземами типичными тяжелого и среднего грансостава, средней мощности и среднего содержания гумуса. Такое состояние почв и высокое значение рН обусловливают ее хорошую буферность и большую поглотительную способность.

Результаты наших исследований и анализ банка данных НИИКМА показывают, что вокруг промышленной площадки Лебединского ГОКа на удалении 150 и 300 м ежегодно оседает соответственно 607 и 469 кг пыли на 1 га; в 150 м от карьера оседает около 1 т пыли, а на расстоянии 1, 2, 3, 4 км - соответственно 401, 226, 97 и 17 кг/га. В таких условиях формируются тexногенные аномалии, где содержание валовых форм Fe, Cu, Zn в почвах выше зональных в 2-3 раза. Ареал рассеяния Fе прослеживается на расстоянии до 7-15 км и занимает площадь более 100 км². В травосмеси указанных территорий отмечается очень высокое содержание Fe на расстоянии до 7 км. В пахотном горизонте черноземов вокруг ГОКа содержание полуторных оксидов железа превышает 6 %, что свидетельствует о процессе ожелезнения почв.

Таблица 10. Тяжелые металлы в почвах в зоне влияния карьера и Лебединского ГОКа

5.2. Влияние выбросов ОАО «Осколцемент» на почвенно-растительный покров

Исследования пыли цементных заводов показали высокое содержание в них свинца - 1800 мг/кг, цинка - 410 мг/кг, кадмия - 93 мг/кг и меди - 62 мг/кг (Какарека, 2001). Пыль, выбрасываемая в атмосферу после очистки, содержит более высокие концентрации Cd, Rb и Zn по сравнению с пылью в газовом потоке до очистки.

Объектом наших исследований служило ОАО «Осколцемент», выведенное на полную мощность с 1964 г. и являющиеся одним из мощных источников пыли. Ежегодно выбросы в атмосферу с 1996 г. составили 5,2 тыс. т, а в 2004 г. - 8,4 тыс. т. В выбросах содержится (в%): Са - 52-67; Si - 15-20; K - 2-12; Al ~ 5; Fe ~ 4; pH - 9,7-11,2. Результаты исследований показали, что почвенный покров вокруг завода представлен черноземами и темно-серыми лесными почвами со средним содержанием гумуса, среднего и легкого грансостава. Для выявления характера изменений свойств почв и растительности от воздействия выбросов были заложены почвенные разрезы вокруг завода с учетом розы ветров, на различном удалении с учетом рельефа местности.

Рекогносцировочное обследование загрязненной территории свидетельствует о том, что наиболее крупные частицы цементной пыли оседают в непосредственной близости от предприятия, а более мелкие удаляются на различные расстояния, что хорошо прослеживается в изменениях внешних признаков растительного и почвенного покровов (рис. 3).

По мере удаления от источника внешние признаки загрязнения заметно ослабевают, что подтверждается морфологией почвенных разрезов. Выбросы, оседая на почвенный покров, проникают на определенную глубину. При этом на поверхности почв вблизи предприятия формируется особый техногенный слой пыли толщиной до 10 см. По мере удаления от источника загрязнения мощность этого слоя постепенно снижается до 6-8 см на расстоянии 300 м и до 2 см - на расстоянии 500 м. При удалении более 500 м визуально этот слой не прослеживается, но вскипание от соляной кислоты и здесь обнаруживается почти с поверхности на глубине 14 см. На расстоянии более 1000 м почвенный покров соответствует зональным почвам, хотя и здесь верхний 5_сантиметровый слой почвы бурно вскипает от соляной кислоты.

Результаты химических исследований (табл. 11) указывают на повышенное содержание оксида кальция (21,0 %) и оксида магния (3,7 %) в верхнем техногенном слое, что не характерно для зональных почв. Основные изменения химических свойств почв зафиксированы в образцах отобранных на удалении 300 - 500 м. На большем удалении влияние выбросов незначительно.

Действие цементной пыли сказалось и на рН почвенной среды в верхнем (0-30 см) слое почвы, где реакция от слабокислой стала щелочной и слабощелочной, переходящей с глубиной в нейтральную, а глубже 50-60 см в слабокислую, что свойственно лесным почвам.

Рис. 3. Картосхема распределения цементной пыли вокруг ОАО «Осколцемент» (М 1:200000)

Для изучения влияния цементной пыли на древесную растительность в качестве объектов исследования были выбраны акация белая и береза повислая, как наиболее распространенные породы на рекультивированных отвалах горных пород КМА.

Полученные данные свидетельствуют о том, что наибольшей пылеулавливающей способностью характеризуется береза повислая. В сутки ее листовая поверхность задерживает 0,85-0,9 г/м² цементной пыли, акации белой - 0,57-0,6 г/м². В целом листовая поверхность этих растений за сутки способна удержать 22,0-32,5 г/м² пыли. В контрольной точке запыленность культур составляла 0,04-0,05 г./м².

Таблица 11. Валовой химический состав темно-серых лесных почв в районе ОАО «Осколцемент», % на прокаленную навеску

Под влиянием запыления наблюдается увеличение площади листовой поверхности. Так, у акации белой площадь листа опытных растений на 27, а у березы повислой - на 36 % была больше, чем у контрольных (табл. 12).

Таблица 12. Площадь листа древесных растений в зависимости от расстояния от источника загрязнения

Физическое действие даже инертной пыли проявляется в изменении оптических свойств листьев. Запыленные листья поглощают на 5-14 % меньше физиологически активной радиации, а тепловых лучей - на 25-30 % больше, чем незапыленные. Перегрев листовой поверхности влияет на транспирационные потери. Результаты исследования водного режима, приведенные в табл. 13, показывают увеличение потери воды при 2_часовом завядании растений. Наряду с этим отмечено повышение относительного тургора, водоудерживающей способности при снижении водного дефицита и общей обводненности листа.

Интенсивность дыхания (табл. 14) под влиянием цементной пыли у акации снизилась до 47,6 %, у березы повислой - до 33,8 % в сравнении с контрольными растениями. Очищение листовой поверхности от пыли вызывало усиление дыхания, однако эта величина была почти в 2 раза ниже, чем у контрольных растений.

Под влиянием запыления в листьях растений нарушается водный баланс, снижаются активность каталазы в листьях, интенсивность процессов ассимиляции и диссимиляции и в конечном счете продуктивность растений.

Таблица 13. Показатели водного режима

Примечание. В знаменателе приводится процент от контроля.

Таблица 14. Интенсивность газообмена исследуемых культур

Примечание. В знаменателе приводятся данные для побегов, очищенных от пыли

5.3. Влияние ОАО НЛМК на окружающую среду

Высокие темпы развития металлургической промышленности неизбежно приводят к загрязнению атмосферного воздуха водоемов и почв, поэтому оздоровление условий проживания людей в таких районах является важной задачей. Используемые новые технологии, установки фильтров очистки, озеленение цехов и другие мероприятия не дают должного эффекта и вокруг предприятий металлургического профиля концентрация вредных выбросов практически всегда превышает допустимые нормы.

Почвы, находящиеся в зоне влияния металлургических заводов, претерпевают определенные изменения, что отражается как на их морфологических признаках, так и на агрохимических свойствах.

С целью выявления ареала техногенного загрязнения почв от НЛМК, нами были отобраны и проанализированы почвенные образцы из разрезов, заложенных на различном удалении от источников выбросов. На промплощадке и у северной проходной завода в верхнем 0-30 см слое почв содержание Pb, Cr, Ni, Cu и Zn превышает ПДК от одного до 7 раз, однако с глубиной содержание этих элементов резко падает. В серых лесных почвах, отобранных на удалении 3 км севернее источника загрязнения, количество ТМ гораздо ниже фона и ПДК. Это объясняется, во-первых тем, что основная масса вредных выбросов не достигает исследуемых участков и, во-вторых, лесной массив, где заложен образец, эффективно защищает почвенный покров от поступления многих ингредиентов.

Анализируя в целом морфологические, химические и генетические признаки почв, можно утверждать, что вокруг комбината на расстоянии до 1-1,5 км от промплощадки формируется особый техногенный почвенный покров с повышенным содержанием ТМ и повышенной рН среды. На удалении более 3 км влияние комбината менее заметно.

Для выявления закономерностей пространственного распространения загрязнения почв и растительности нами был обследован наиболее крупный источник загрязнения - агломерационная фабрика НЛМК. Агломерационная фабрика расположена обособлено, что позволяет изучить влияние ее выбросов вне взаимосвязи с другими промышленными объектами. Лесной массив, расположенный к северу от фабрики, подвергается воздействию только ее выбросов. Почвенный покров представлен сочетанием серых лесных почв и боровых слабогумусированных песков. Вся территория покрыта сосновым насаждением 35_летнего возраста с полнотой древостоя 0,4-0,5.

Данные показали, что воздействие выбросов на растительность находится в прямой зависимости от расстояния до объекта загрязнения. В настоящее время на удалении до 300 м от фабрики частично усохли хвойные породы и травянистая растительность; на расстоянии до 500 м растительность находится в сильно угнетенном состоянии. По мере удаления от источника загрязнения внешние признаки воздействия его заметно ослабевают, что подтверждается и состоянием почв в разрезах, заложенных под лесом на расстояниях 100, 200, 500, 1000, 3000 м от фабрики (табл. 15).

Таблица 15. Содержание некоторых оксидов в светло-серых лесных почвах вокруг агломерационной фабрики, %

Т_с - техногенный слой

В зоне влияния фабрики на поверхности почв сформировался особый техногенный слой мощностью до 2 см. В гранулометрическом составе этого слоя преобладают частицы размерами 0,25-0,05 и 0,05-0,01 мм, на долю которых приходится 90-92 %. По сравнению с фоновыми почвами в нем резко уменьшено (в 6-8 раз) содержание частиц 1-0,25 мм и повышено количество крупной пыли.

Анализ выбросов фабрики показал, что они характеризуются щелочной реакцией (рН 8,0) и в виде оксидов содержат 12 % кремния, 68,2 % железа, 1,4 % алюминия, 0,3 % марганца, 0,3 % серы, 0,25 % калия, 8,5 % кальция, 2,7 % магния, 1,2 % титана, 0,2 % натрия (см. табл. 15).

Лесные насаждения, опоясывающие фабрику, служат надежной защитой окружающей среды от загрязнения. Однако промышленная пыль и газы сильно угнетают всю растительность, которая частично погибла в радиусе 300 м.

5.4. Производство минеральных удобрений и загрязнение окружающей среды

С целью изучения влияния предприятий по выпуску минеральных удобрений на окружающую среду нами были проведены многолетние (1985-1997 гг.) комплексные исследования экологической ситуации вокруг ОАО «Минудобрения». Это один из крупнейших в Европе объектов находится в центре Черноземья - в Россошанском районе Воронежской области.

Исследования показывают, что продолжительная эксплуатация этого объекта служит интенсивным источником загрязнения окружающей среды, а гидрологическая обстановка в районе промплощадки крайне неудовлетворительная из-за значительного подъема уровня грунтовых вод и их интенсивного химического загрязнения. Уровенный режим грунтовых вод характеризуется как техногеннонарушенный. Подъем зеркала грунтовых вод представляет особую опасность для устойчивости дамб шламонакопителей. В районе промплощадки гидрохимическая аномалия занимает площадь около 10 км² и характеризуется высокой степенью загрязнения подземных вод четвертично-мелового водоносного комплекса. Концентрация аммонийного азота и нитратов в них в десятки раз превышают ПДК (ГОСТ 2874-82). Эти исследования свидетельствуют, что в результате деятельности химического производства возникла реальная угроза загрязнения питьевых водозаборов, поверхностных вод, болот, почв, растительности и в целом всего ландшафта.

Многолетние наблюдения Воронежской гидромелиоративной партии свидетельствуют (табл. 16), что с 1976 по 1986 г. уровень воды в зоне влияния предприятия поднялся с 2,5 м до 1,5 м, а качество воды по девяти показателям ухудшилось на 2-3 порядка. Особенно резко снизилось качество воды по сухому остатку - с 275 до 4158 мг/л, по хлору - с 7 до 1135 мг/л, по SO₄ - с 48 до 1729 мг/л и др.

Таблица 16. Изменение качества грунтовой воды из скважины № 18 в районе промплощадки завода (данные гидромелиоративной партии)

Данные по качеству воды прудов-накопителей и почвенно-растительного покрова свидетельствуют о том, что вода с прудов-накопителей по 10_ти показателям не соответствует требуемым санитарным нормам (табл. 17). Превышение ПДК по сухому остатку колеблется от 1,8 до 4,6 раза, по SO₄^2- - от 1,4 до 4,7 раза, по Na⁺ - 2 - 2,4 раза, соотношение Ca²⁺: Na⁺ должно быть 2:1, а в данном случае 0,5: 1 и т. д.

Таблица 17. Превышение ПДК ингредиентов в воде, рекомендуемой для орошения, раз

Исследование почв, орошаемых водой с прудов-накопителей (после двух поливов), показало, что содержание обменного натрия в верхнем (0-20 см) слое возросло с 0,4 до 1,1 - 4,1 %. Плотный остаток достиг значений 0,112-0,113 % против 0,036 % в контроле, т. е. орошаемые черноземы уже можно отнести к слабозасоленным почвам. Тип засоления - хлоридно-сульфатный, т. е. соответствует составу солей сточных вод. Анализ растительности с орошаемых участков показал, что в кукурузе на силос количество нитратов увеличилось до 2000 мг/кг зеленой массы против 503 мг/кг на контроле. Все вышеизложенное свидетельствует, что используемая для орошения вода по всем показателям не пригодна для этих целей.

Влияние ОАО «Минудобрения» сказывается также на гидрологическом режиме почв. Вследствие постоянного подтопления стоками увеличились площади болотных почв с 146 до 227,7 га; глеевых - с 486 до 703,2 га; кроме того, на больших площадях прилегающих территорий как уже отмечалось наблюдается подъем уровня грунтовых вод.

Таким образом, основываясь на вышеприведенном экспериментальном и литературном материале, можно заключить:

1. Создание крупного химического производства в центре Черноземного региона резко изменило в худшую сторону экологическую ситуацию и состояние природных и антропогенных ландшафтов.

2. Влияние химического комбината отрицательно сказалось на почвенно-растительном покрове в радиусе до 10-15 км.

3. Под влиянием сточных вод, полей фильтрации и прудов-накопителей комбината резко ухудшилось качество подземных и поверхностных вод в пределах промышленной зоны. Под куполом промплощадки уровень грунтовых вод поднялся до опасной отметки - около 9 м, а в отдельных местах с 2,5 м до 1,5 м.

4. Качество воды прудов-накопителей предприятия по десяти позициям не соответствует требуемым санитарным нормам.

5. Под влиянием выбросов, отходов и стоков увеличилась площадь почв карбонатных разновидностей с 77 га до 1653,2 га, болотных почв с 146 до 227,7 га, глеевых - с 486 до 703,2.

6. В радиусе до 5-10 км закрыты все колодца для питьевой воды из-за их непригодности. В этой зоне наблюдается высокая заболеваемость населения.

5.5. Осадки сточных вод городских очистных сооружений и их утилизация

В Воронеже функционируют крупные очистные сооружения - Левобережные и Правобережные. На Левобережные очистные сооружения ежесуточно по двум линиям очистки поступает 275 тыс. м³ стоков от 83 промышленных и коммунальных предприятий. Все стоки проходят механическую и биологическую очистку, причем стоки от ОАО «Синтезкаучук» проходят отдельную очистку. После механической очистки идет биологическая очистка с помощью активных илов в аэротенках. После всех видов обезвреживания вся масса поступает на иловые карты, представляющие собой открытые железобетонные емкости с большой площадью для испарения. На этих картах в течение 2-3_х лет идет процесс естественной сушки осадка.

OСB считаются обезвреженными, если они прошли термофильное или мезофильное сбраживание в метатенках с последующей дегельминтизацией, или термическую сушку. При таких условиях полностью погибают яйца гельминтов. Наши исследования показали, что в OСB Левобережных очистных сооружений отсутствуют яйца гельминтов и патогенные микроорганизмы. Содержание основных элементов питания в ОСВ непостоянное и зависит от типа высушивания, характера стока и срока складирования, режима работы предприятий и т. д. Полученная характеристика агрохимических свойств ОСВ свидетельствует, что они имеют слабощелочную реакцию среды, очень высокое содержание органического вещества - 17,5-64,4 %, высокую зольность - 21,9-54,9 %. В образцах ОСВ 1986 и 1987 года складирования было отмечено высокое содержание подвижного фосфора - 64,2 - 153,2 мг/100 г., обменного калия - 25,5-197,5 мг/100 г. Содержание общего азота варьировало в пределах 1,06-1,08 %, фосфора - 2,4-3,0 %. Такие показатели говорят о высоких удобрительных качествах ОСВ.

Для выяснения степени засоления ОСВ были выполнены анализы водной вытяжки, из которых следует, что осадки характеризуются сульфатно-кальциевым засолением с преобладанием аниона SO₄^2- и катиона Са²⁺. Содержание хлора и натрия низкое.

Из результатов определения ТМ в ОСВ Левобережных очистных сооружений (табл. 18) видно, что содержание ТМ варьирует в широких пределах: хром 309-930 (среднее 706), никель - 150-340 (среднее 240), свинец - 240-690 (среднее 549), кадмий - 36-73 (среднее 47) мг/кг.

Таблица 18. Содержание ТМ в ОСВ в мг/кг

Учитывая высокие удобрительные свойства ОСВ, мы провели исследования по использованию их в качестве удобрения полевых культур. В виду того, что осадки содержали высокие дозы ТМ, использованли их в опытах с многолетними травами. Последующий анализ растительных образцов показал, что накопления ТМ в растениях не произошло.

Исследов...