Document 3886665

На правах рукописи
Стульникова Юлия Владимировна
МЕТОДЫ УСИЛЕНИЯ КОМПЕНСАТОРНОГО ЭФФЕКТА
ЭКОСИСТЕМ ПРИГОРОДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ПРИ
ВОЗРАСТАНИИ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
(на примере г. Тулы)
Специальность 03.00.16 - Экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Иваново-2009
Работа выполнена в ГОУВПО «Ярославский государственный технический
университет» на кафедре «Охраны труда и природы» и в ГОУВПО «Ивановский
государственный химико-технологический университет» на кафедре «Общей химической
технологии».
Научный руководитель:
Володин Николай Иванович,
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Гусакова Наталия Николаевна,
доктор химических наук, профессор
Светцов Владимир Иванович
доктор химических наук, профессор
Ведущая организация:
Институт фундаментальных проблем
биологии РАН, Лаборатория
функциональной экологии, г. Пущино
Московской обл.
Защита состоится 23 декабря 2009 г. в 10 часов в ауд. Г-205 на заседании совета по
защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.02 при ГОУВПО «Ивановский
государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр.
Ф. Энгельса, 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Ивановский
государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр.
Ф. Энгельса, 10.
Автореферат диссертации разослан
Ученый секретарь совета
по защите докторских и кандидатских
диссертаций, д.т.н., ст.н.с.
« …… » ноября 2009 г.
Гришина Е.П.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы.
Решение проблемы снижения антропогенной нагрузки на экосистемы в результате
выбросов загрязняющих веществ (ЗВ), воздействия биологических, физических и других
факторов представляет собой важную природоохранную задачу. При этом не менее важной
самостоятельной задачей является повышение резистентности (устойчивости) экосистем к
определенным факторам антропогенного воздействия на них.
Известно, что самоочищающие, самовосстанавливающие функции природных
экосистем, в целом, исчерпаны или находятся на пределе этого исчерпания. Очевидны все
признаки декомпенсации компонентов биосферы - расстройства их функционирования,
возникающие при неспособности приспособительных механизмов компенсировать
вызванные антропогенным воздействием нарушения. В этой связи актуальной задачей
является изучение методов усиления компенсаторного эффекта – механизма
приспособления экосистем к внешним воздействиям с целью снижения их неблагоприятных
последствий.
Компенсаторный эффект, в принципе, является совокупностью ответных
приспособительных реакций самого организма (экосистемы) и в обычных условиях
генерируется самопроизвольно («автоматически»). Однако, признавая основной причиной
нарушения экологического равновесия - антропогенную нагрузку, очевидно, следует
признать и насущную необходимость «антропогенного участия» в процессе формирования
защитных, приспособительных реакций окружающей среды (ОС), как меры моральной
ответственности общества за нарушение принципов рационального природопользования.
Достаточно серьезными являются экологические проблемы крупного промышленного
центра - города Тулы и его пригородных территорий. В атмосферу региона выбрасывается
около 200 наименований ЗВ. Основной вклад в массу выбросов от стационарных источников
вносят предприятия металлургии – 46 %, электроэнергетики – 40 %, химической
промышленности - 6 %. Тульская область характеризуется одним из самых высоких
показателей в России плотности выпадения тяжелых металлов (ТМ): свинца (более 10 кг/км2
в год), ртути (50 - 100 г/км2 в год).
В этой связи цель и задачи настоящего исследования были сформулированы
следующим образом.
Цель работы: установление закономерностей усиления компенсаторного эффекта
экосистем пригородных территорий, как механизма повышения их устойчивости и
приспособления к возрастанию уровня антропогенной нагрузки с целью снижения
неблагоприятных последствий (ущерба).
Задачи работы.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1) изучить характер взаимодействия антропогенных выбросов ЗВ с различными типами
экосистем пригородных территорий и методы повышения компенсаторного эффекта
данных экосистем;
2) провести моделирование взаимодействия антропогенных выбросов ЗВ с компонентами
экосистем пригородных территорий;
3) изучить
закономерности
загрязнения
ТМ
сельскохозяйственных
культур,
культивируемых на пригородных территориях, и методы повышения компенсаторного
эффекта экосистем при воздействии ТМ;
4) исследовать условия фитодетоксикации почв пригородных территорий, загрязненных
ТМ;
5) разработать методы снижения содержания ТМ в сельскохозяйственной продукции.
Научная новизна.
В ходе работы получены результаты, которые вносят вклад в развитие теории
мониторинга ОС, изучения процессов миграции ЗВ в элементах биосферы, а именно:
3
1) установлена взаимосвязь между состоянием и соотношением элементов экосистемы
(поле-луг-лес) и условиями пространственного распространения выбросов ЗВ на
пригородных территориях промышленного центра; показано, что при соотношении
длины территорий поле:луг:лес, равном 1:2:1, каждый элемент и экосистема, в целом, в
наибольшей степени способствуют усилению компенсаторного эффекта и минимизации
рассеивания ЗВ;
2) адаптирована модель распространения ЗВ по территории пригородной экосистемы, ,
учитывающая закономерности конвективного диффузионного переноса токсикантов,
закономерности движения воздушных масс, а также поглощение ЗВ растениями;
установлено, что максимальные значения параметров поглощения ЗВ соответствуют
данным натурных наблюдений, что подтверждает адекватность разработанной модели и
возможность ее использования в целях прогнозирования развития экологических
ситуаций;
3) установлены закономерности процессов миграции ТМ в почве и сельскохозяйственных
культурах; показано, что наибольший уровень загрязнения отмечается в пахотном слое
(20-25 см) обрабатываемых сельхозугодий, а на необрабатываемых площадях (луг, поле)
в верхних горизонтах почвы (0-10 см) ТМ содержится больше, чем на обрабатываемых
угодьях; отмечено повышение компенсаторного эффекта элементов экосистем за счет
фитодетоксикации почв, загрязненных ТМ.
Практическое значение.
На основании научных исследований, выводов и обобщений предложены пути
реализации результатов работы:
1) разработаны
рекомендации
по
уменьшению
дальности
пространственного
распространения газообразных и аэрозольных выбросов города - промышленного центра
за счет соблюдения соответствующего соотношения длины территорий элементов
экосистем (поле-луг-лес); по размещению и конструированию защитных лесополос;
2) предложены меры по предотвращению загрязнения почв ТМ; в целях усиления
защитных свойств растений и почвы, снижения концентрации усвояемых форм ТМ в
почвах рекомендовано систематическое внесение в почву органических и
соответствующих видов минеральных удобрений, а также проведение известкования
закисленных почв;
3) разработаны рекомендации по фитодетоксикации почв, загрязненных ТМ; предложено
регулировать видовой состав растительности и количество получаемой биомассы,
вводить в полевой севооборот корнеплодные культуры (до 20-25% площади
сельхозугодий);
4) предложены меры по снижению содержания ТМ в сельскохозяйственной продукции и
предотвращению попадания данных токсикантов в трофические цепи за счет
применения водной обработки растительной массы, используемой для приготовления
зеленого корма, кормовой муки и силосования;
5) результаты работы приняты к реализации хозяйствами, расположенными в пригородных
зонах г. Тулы (СПК «Приупские зори», СПК «Восход 2»).
Надежность результатов и достоверность выводов.
Надежность полученных результатов обеспечена использованием современных
методов исследования, классического аппарата статистической обработки результатов
эксперимента. Достоверность и обоснованность выводов и рекомендаций, сделанных в
работе, обусловлена их соответствием фундаментальным положениям теории мониторинга
ОС и процессов миграции токсикантов в биосфере.
Апробация работы.
Результаты этапов исследования и работы в целом докладывались и обсуждались на
научных семинарах кафедры аэрологии, охраны труда и окружающей среды ТулГУ (г.Тула,
2003-2004г.г.), на 6-ой международной научно-технической конференции «Высокие
4
технологии в экологии» (г. Воронеж, 2003 г.), на Всероссийской научно-практической
конференции «Роль социальных, гигиенических и биологических факторов в становлении
возрастных особенностей населения» (г. Пенза, 2003 г.), Всероссийской конференции
«Современные проблемы экологии и рационального природопользования» (г. Тула, 2003 г.),
на 7-ой международной конференции «Высокие технологии в экологии», (г. Воронеж, 2004
г.), на международной научно-технической конференции «Энергосбережение, экология и
безопасность», (г. Тула, 2004 г.), на 2-ой международной научно-практической конференции
«Экологические проблемы современности» (г. Пенза, 2006 г.).
На защиту выносятся:
1) обоснование взаимосвязи между состоянием и соотношением элементов экосистемы
(поле-луг-лес) и условиями пространственного распространения выбросов ЗВ на
пригородных территориях промышленного центра;
2) модель распространения ЗВ по территории пригородной экосистемы, учитывающая
закономерности конвективного диффузионного переноса токсикантов, закономерности
движения воздушных масс, а также поглощение и рассеивание ЗВ растениями;
3) обоснование закономерностей процессов миграции ТМ в сельскохозяйственных
культурах и повышения компенсаторного эффекта элементов экосистем за счет
фитодетоксикации почв, загрязненных ТМ;
4) практические рекомендации по конструированию и размещению защитных лесополос,
по фитодетоксикации почв, загрязненных ТМ, по снижению содержания ТМ в
сельскохозяйственной продукции.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в формулировке цели
и задач исследования, проведении эксперимента, обсуждении результатов работы и ее
апробации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных трудов, в том числе 4
статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 134 страницах,
содержит 25 рисунков, 25 таблиц; состоит из введения, общей характеристики работы,
четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы (180 наименований) и
приложения (объемом 23 страницы).
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении обоснована актуальность работы, дана краткая характеристика
существующего положения в области изучения характера взаимодействия антропогенных
выбросов с различными типами пригородных экосистем и разработки методов повышения
их компенсаторного эффекта.
В разделе «Общая характеристика работы» сформулированы цель и задачи
исследования, обоснованы научная новизна и практическое значение работы.
Первая глава диссертации посвящена анализу влияния антропогенного воздействия на
уровень загрязнения экосистем пригородных территорий промышленных центров.
В первом разделе приведена характеристика источников выбросов вредных веществ г.
Тулы. Сделан вывод о том, что к таким источникам следует отнести автомобильный
транспорт, промышленные предприятия, промышленные и бытовые котельные.
Второй раздел посвящен анализу влияния уровня антропогенного воздействия на
состояние растительных сообществ пригородных территорий, а также анализу перспектив
использования метода фиторемедиации почв. Показано, что длительное воздействие
антропогенных выбросов приводит к значительному снижению продуктивности надземной и
корневой биомассы и изменению видового состава растений. В этой связи очистка
(восстановление) почв путем извлечения из них избыточного количества вредных веществ с
помощью растений-аккумуляторов представляет собой весьма перспективный метод
биологической рекреации почвенных экосистем.
5
В третьем разделе проанализированы методы совершенствования структуры
ландшафтов пригородных территорий, как фактора усиления компенсаторного эффекта
экосистем при возрастании антропогенного воздействия. Показано, что в результате
экологической оптимизации пригородных ландшафтов путем внедрения агро-лесо-лугомелиоративной системы могут быть созданы условия для формирования более высокого
качества ОС.
Выявлено, что к настоящему времени недостаточно изучено влияние антропогенного
воздействия на уровень загрязнения экосистем пригородных территорий промышленных
центров. В литературе содержатся ограниченные сведения по влиянию степени загрязнения
атмосферного воздуха на уровень загрязнения почв пригородных территорий, отсутствуют
данные по характеру сезонного изменения приспособительных реакций экосистем
пригородных территорий к антропогенному воздействию с целью снижения
неблагоприятных
последствий. Не установлены закономерности взаимосвязи между
состоянием элементов экосистемы пригородных территорий и дальностью распространения
ЗВ. В литературе отсутствуют рекомендации по уменьшению зоны пространственного
распространения токсичных выбросов промышленного центра, не разработаны
рекомендации по защите растительности.
Во второй главе рассмотрено методическое обеспечение проведения эксперимента,
приведена характеристика объекта исследования: единой экологической системы
«промышленно-развитый город (Тула) – его пригородные территории», площадью более 350
тыс. гектаров с учетом розы ветров для данного региона (см. рис. 1).
С
20
СЗ
15
СВ
10
5
З
0
В
ЮЗ
ЮВ
Ю
Количество дней с данным направлением ветра
а)
б)
Рис. 1. Объект исследования - экологическая система «промышленно-развитый город (Тула)
– его пригородные территории» (а) и роза ветров для региона (б):
▬▬▬▬ внешняя граница
▬ ▬ ▬ граница экосистемы 1
●●●●
- маршрут I
▬ ▪ ▬ ▪ граница экосистемы 2
▄ ▄ ▄ ▄ - маршрут II
▪ ▪ граница экосистемы 3
▲▲▲▲ - маршрут III
На исследуемой территории пригородной экосистемы были установлены постоянные
пункты наблюдения. Сочетания нескольких пунктов наблюдений образовывали три
маршрута наблюдений протяженностью до 25 километров от города. Пункты наблюдений в
маршрутах были удалены от города на расстоянии 0, 2, 5, 10, 15, 20 и 25 км. Наиболее
удаленный пункт маршрута был принят в качестве контрольного (соответствующего
фоновому загрязнению), так как уровень загрязнения атмосферного воздуха на расстоянии
25, 30 и 40 км от города существенно не менялся. В пунктах наблюдения отбирали пробы
воздуха, почвы и растений для последующего анализа.
6
В этой же главе изложено описание методики эксперимента, проводимого в
лабораторных и полевых условиях. Анализ проб воздуха, почв, растений на содержание
вредных веществ определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа с помощью
кристалл-дифракционного сканирующего спектрометра серии «Спектроскан Макс GV».
Приведена методика оценки погрешности экспериментальных данных.
Третья глава работы посвящена описанию результатов эксперимента и их
обсуждению.
В первом разделе изучен характер взаимодействия антропогенных выбросов с
различными типами экосистем и методов повышения их компенсаторного эффекта. Тула –
крупный город с развитой промышленностью, рассматривается в данной работе как
точечный источник выбросов ЗВ. Наличие в пригородной зоне различных комбинаций
растительных сообществ позволило выделить несколько типов экологических подсистем.
Распределение угодий по пригородной зоне неравномерное. Площади поля, луга и леса в
северной части её относятся друг к другу как 1:1:2, в западной - 2:1:1 и в юго-западной,
южной и юго-восточной как 1:2:1. Площадь каждой экологической подсистемы составляет
порядка 50-70 тыс. гектаров.
Механизм взаимодействия токсикантов с составными элементами экосистем к
настоящему времени в достаточной степени не изучен. Можно предположить, что такие
критериальные ксенобиотики, изучаемые нами, как ТМ взаимодействуют с почвенной
системой следующим образом. Гуминовые и фульвоксилоты содержат функциональные
группы, способные образовывать довольно прочные связи с ТМ по салицилатному (с
участием карбоксильной группы и фенольного гидроксила) и фталатному типу (см. рис. 2).
Рис. 2. Механизм взаимодействия токсикантов с составными элементами экосистем.
Специфичными в отношении связывания ионов ТМ считаются богатые цистеином
белки – металлотионеины, синтезирующиеся в клетках растений в ответ на воздействие ТМ.
Металлсвязывающие белки синтезируются в норме в незначительном количестве. Их
содержание в клетке резко возрастает при действии ТМ и снижается в случае уменьшения
концентрации ТМ в питательном субстрате. Причем повышенные концентрации ТМ в среде
стимулируют не только синтез металлотионеинов, но и связывание этими белками большей
части поступивших в клетку ионов металлов. С этой точки зрения можно говорить о
специфичности механизма детоксикации ТМ растительными организмами. В основе этого
механизма лежат процессы комплексообразования, протекающие по схеме, приведенной на
рис. 2.
В работе изучен характер взаимодействия антропогенных выбросов с различными
типами экосистем. Получены данные по содержанию оксида углерода, аммиака и диоксида
серы в пробах воздуха на различном удалении от города с подветренной и наветренной
сторон по сезонам года (см. рис. 3). Экспериментально доказано, что даже с наветренной
стороны в воздухе обнаруживаются высокие (выше фоновых) концентрации ЗВ.
7
Загрязнение воздуха диокcидом серы с
подветренной стороны города Тулы (март-апрель)
SO2,мг/м3
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
2
5
10
15
20
25
Расстояние от города, км
Загрязнение воздуха монооксидом углерода с
наветренной стороны города Тулы (май-июнь)
6
6
5
5
4
4
СО, мг/м3
СО, мг/м3
Загрязнение воздуха монооксидом углерода с
подветренной стороны города Тулы (май-июнь)
3
2
1
3
2
1
0
0
2
5
10
15
20
0
25
0
2
Расстояние от города, км
Загрязнение воздуха аммиаком с подветренной
стороны городаТулы (май-июль)
10
15
20
25
Загрязнение воздуха аммиаком с наветренной
стороны города Тулы (май-июнь)
0,2
0,2
0,18
0,18
0,16
0,16
0,14
NH3 мг/м3
0,14
NH3 мг/м3
5
Расстояние от города, км
0,12
0,1
0,08
0,12
0,1
0,08
0,06
0,06
0,04
0,04
0,02
0,02
0
0
0
0
2
5
10
15
20
2
5
10
15
20
25
Расстояние до города, км
25
Расстояние до города, км
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
Загрязнение воздуха диоксидом серы с подветренной
стороны города ,Тулы (май-июль)
SO2 мг/м3
SO2 мг/м3
Загрязнение воздуха диоксидом серы с наветренной
стороны города Тулы (май-июль)
0
2
5
10
15
20
25
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
Расстояние от города, км
2
5
10
15
Расстояние от города, км
8
20
25
0
2
5
10
15
20
25
5
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
NH3 мг/м3
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
Загрязнение воздуха аммиаком с
подветренной стороны города Тулы
(август-сентябрь)
Загрязнение воздуха монооксидом
углерода с подветренной стороны
города Тулы (август-сентябрь)
СО, мг/м3
SO2 мг/м3
Загрязнение воздуха диоксидом серы с
подветренной стороны города Тулы
(август-сентябрь)
0
Расстояние от города, км
2
5
10
15
20
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
25
2
5
10 15 20 25
Расстояние от города, км
Расстояние от города, км
Рис. 3. Характер распространения газовых выбросов по территории пригородных зон.
♦ - соотношение поле:луг:лес = 2:1:1; ■ - соотношение поле:луг:лес = 1:1:2;
▲- соотношение поле:луг:лес = 1:2:1.
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
9
215
8
165
Sb, мг/кг
Zn мг/кг
Со, мг/кг
Установлено, что количество газообразных и пылевых выбросов в атмосфере
пригородной зоны обусловливается наличием, состоянием и взаимодействием экосистем.
Наилучшие условия реализации компенсаторного эффекта (поглощения выбросов в
пригородной экосистеме) наблюдаются при соотношении площадей поля, луга и леса,
равном 1:2:1 (маршрут III). Значения концентраций ЗВ на маршрутах с преобладанием
лесных площадей (маршрут II) или поля (маршрут I) в целом больше, чем в первом случае, т.
е. эффективность снижения уровня антропогенного загрязнения первых двух вариантов
сочетания элементов экосистем систем ниже.
Обнаружено, что основным источником загрязнения растений и почвы соединениями
ТМ являются не только газообразные и пылевые выбросы промышленных предприятий
города, но и вносимые на поля, удобрения и препараты химической защиты
сельскохозяйственных культур. В результате суммарного воздействия всех источников
загрязнения происходит постепенное увеличение концентраций ТМ в почвах полей
пригородных зон (см. рис. 4). Наиболее высокий уровень загрязнения отмечается в пахотном
горизонте (20-25 см) обрабатываемых полей. По мере удаления сельхозугодий от источника
загрязнения, концентрации ТМ в почвах снижаются.
115
65
0
10
15
20
30
Расстояние от города, км
7
6
5
4
15
0
10
15
20
30
Расстояние от города, км
0
10
15
20
30
Расстояние от города, км
а)
б)
в)
Рис. 4. Валовое содержание тяжелых металлов в почвах полей пригородных зон (маршрут
III) в пахотном горизонте (20 – 25 см), мг/кг (III декада апреля):
а) валовое содержание Co; б) валовое содержание Zn; в) валовое содержание Sb;
■- на полях незащищенных лесм и лесополосами; ♦ - на полях под защитой
леса и лесополос; ▲- ПДК соответствующего металла.
Второй раздел посвящен моделированию взаимодействия антропогенных выбросов с
компонентами пригородных экосистем. Для изучения рассеивающей способности различных
9
вариантов сочетания элементов экосистем разработана соответствующая математическая
модель и уравнение для расчета параметра поглощения ЗВ (см. рис. 5). Результаты
численного эксперимента, приведенные в табл. 1 и на рис.5, подтверждают вывод о том, что
максимальной поглощающей способностью обладает сочетание элементов экосистем,
соответствующее маршруту III (наблюдаются наибольшие значения параметра поглощения).
Результаты проведенного нами численного эксперимента свидетельствуют о том, что
при дальнейшем увеличении антропогенной нагрузки на пригородные территории, даже при
наличии оптимальных для рассеивания ЗВ соотношений элементов экосистемы,
концентрации ТМ в элементах пригородной экосистемы значительно возрастут (см. рис. 6).
Рис. 5. Моделирование взаимодействия антропогенных выбросов с компонентами
пригородных экосистем.
Таблица 1.
Значения параметра поглощения загрязняющих веществ, λ, для различных типов экосистем.
Примесь
март-апрель
май-июль
Август-сентябрь
Номер
маршрута
λ, 1/c
R
λ, 1/c
R
λ, 1/c
R
СО
0.000111
0.778
0.00012
0.796
0.000136
0.766
NH3
0.000138
0.831
0.000178
0.796
0.000168
0.804
S02
0.000164
0.818
0.000145
0.812
0.000166
0.817
СО
0.000089
0.769
0.0001
0.810
0.000088
0.746
NH3
0.000178
0.816
0.000119
0.815
0.000081
0.625
S02
0.000131
0.782
0.000141
0.769
0.000132
0.767
СО
0.000135
0.804
0.000161
0.621
0.000157
0.758
NH3
0.00015
0.742
0.000227
0.730
0.000433
0.814
S02
0.00019
0.810
0.00014
0.832
0.000187
0.827
1
2
3
10
Содержание никеля в воздухе
пригородных территорий
Содержание свинца в воздухе
пригородных территорий
Содержание меди в
воздухе пригородных
территорий
0,0035
0,0007
0,003
0,012
0,0006
0,01
0,002
0,0015
0,001
Концентрация, мг/м3
0,0005
Концентрация, мг/м3
Концентрация, мг/м3
0,0025
0,0004
0,0003
0,0002
0,008
0,006
0,004
0,002
0,0001
0,0005
0
0
0
0
2
5
10
15
20
25
2
5
10
15
20
10
15
20
25
25
Расстояние от города, км
0,02
0,018
0,016
0,014
0,012
0,01
0,008
0,006
0,004
0,002
0
2
5
10
15
20
25
Расстояние от города, км
Содержание кадмия в воздухе
пригородных территорий
Содержание цинка в воздухе
пригородных территорий
Концентрация, мг/м3
Концентрация, мг/м3
Содержание марганца в воздухе
пригородных территорий
0
5
Расстояние от города, км
Расстояние от города, км
0,0008
0,0007
0,0006
0,0005
0,0004
0,0003
0,0002
0,0001
0
2
0,0006
Концентрация, мг/м3
0
0
0
2
5
10
15
20
25
Расстояние от города, км
0,0005
0,0004
0,0003
0,0002
0,0001
0
1
2
5
10
15
20
25
Расстояние от города, км
Рис. 6. Распределение выбросов тяжелых металлов в условиях экспериментальных
моделей.
♦ – экспериментальная модель № 1; ■ – экспериментальная модель № 2;
▲ – экспериментальная модель № 3.
В третьем разделе изучены закономерности загрязнения ТМ сельскохозяйственных
культур и методы повышения компенсаторного эффекта пригородных экосистем. Показано,
что приспособительные свойства растений наиболее полно проявляются в сочетании с
защитными свойствами почвы. Так, в растениях, выращенных на почвах с высоким
содержанием гумуса (высокобуферные почвы), уровень содержания ТМ значительно ниже,
чем у растений, произрастающих на малобуферных почвах. В условиях полевого и
лабораторного эксперимента нами изучено влияние содержания гумуса на содержание ТМ в
надземных органах растений и в корнях. (см. табл. 2 ) В условиях полевого эксперимента на
почвах со слабокислой средой (рН – 6,2) почвенного раствора и содержанием гумуса 1,5 %,
3,0 % и 6,0 % концентрация ТМ в растениях колебалась в значительных пределах. Кукуруза
на первом участке, площадью 0,74 га к концу вегетации достигала высоты 195 см. Листовые
пластинки её не имели повреждений, а их площадь на 23 % превышала площадь листьев
второго участка. Растения до уборки на силос сохранили зеленый здоровый вид, образовали
початки с хорошей озерненностью. Взаимодействие приспособительных свойств растений и
высокобуферной почвы обеспечило общее уменьшение концентраций ТМ, особенно в
листьях и стеблях.
11
Таблица 2.
Концентрация тяжелых металлов в кукурузе, мг/кг
Гумус в почве,
%
Участок 2
1,5
3,0
Участок 3
6,0
Участок 1
Органы
растения
Листья
Стебли
Корни
Листья
Стебли
Корни
Листья
Стебли
Корни
Co
Ni
Pb
Cu
Mn
Zn
0,8
0,7
1,8
0,4
0,5
1,2
Н.о.
Н.о.
0,7
3,6
2,7
3,6
2,8
2,0
3,0
1,9
1,8
2,3
8,1
4,3
5,9
5,3
4,6
5,3
2,7
2,8
4,1
5,7
7,4
6,8
4,1
3,5
5,9
2,0
2,9
5,3
120,1
93,5
139,4
106,5
81,6
87,4
88,0
71,4
93,0
139,5
84,3
118,0
117,9
73,4
93,9
86,1
70,8
83,5
Нами изучено влияние известкования почв на поступление ТМ в растительные
культуры. Полученные результаты по содержанию ТМ в растениях за три года представлены
в таблице (см. табл. 3). Результаты лабораторных исследований полностью согласуются с
полевыми наблюдениями. За счет внесения извести содержание металлов уменьшилось в
листьях картофеля, в среднем, на 21 %, а в стеблях на 10 %. В травах луга были обнаружены
более низкие концентрации ТМ, чем в картофеле, что, на наш взгляд, можно объяснить
возрастом надземных органов. Молодые органы растений накапливают в себе ТМ меньше,
чем более старые. Поверхностное внесение извести на травяных полях менее эффективно по
сравнению с глубинным перемешиванием её с почвой. Этим можно объяснить тот факт, что
травы луга оказывались мало отзывчивыми на внесение извести: уменьшение содержания
ТМ в листьях и стеблях составляло лишь 12 %.
Таблица 3.
Содержание тяжелых металлов в растениях и в почвах (подвижные формы) после внесения
извести, мг/кг *
Объект
Органы
Со
Ni
Pb
Cu
Cd
Mn
Zn
изучения
растений
Картофель
Листья
4,6
3,2
0,7
4,9
0,4
113,3
16,1
5,8
4,9
1,0
6,0
0,6
177,0
27,6
Стебли
4,3
3,6
0,6
3,8
0,6
96,5
13,9
4,7
4,5
0,8
5,0
1,0
169,1
18,1
Клубни
3,6
2,4
0,3
3,6
0,1
84,3
8,7
4,2
3,1
0,3
5,2
0,2
105,7
9,8
Травы луга
Листья
3,8
2,7
0,6
3,7
0,4
88,5
9,7
4,4
3,2
0,9
4,5
0,7
101,4
12,9
Стебли
3,5
3,3
0,5
3,2
0,4
60,3
9,3
3,9
4,2
0,8
3,9
0,6
87,4
11,7
Почва поля
5,6
6,7
10,3
6,0
1,5
286,4
21,0
6,8
8,5
13,6
7,6
2,4
365,9
27,7
Почва луга
6,2
7,2
10,5
8,6
2,1
337,5
21,6
6,1
8,0
11,3
9,7
2,6
441,2
24,0
* Примечание: в числителе - концентрация ТМ на поло после внесения извести, а в
знаменателе - на контроле (без известкования).
Внесение в вегетационные сосуды с кварцевым песком извести и перегнившего навоза
(10 % от веса кварца) снижало усвоение металлов растениями, особенно меди и кадмия. При
одновременном добавлении в этом варианте эксперимента полного минерального удобрения,
урожай кукурузы увеличился на 30-35%, а содержание ТМ в листьях и стеблях уменьшилось
на 15-23 %. Полученные данные позволяют рекомендовать для полей пригородов г. Тулы
12
внесение комплексных органо-минеральных удобрений и проведение известкования полей.
Почвы полей в данном случае имеют кислую среду почвенного раствора (рН - 5,8-6,4) и
низкое содержание гумуса (1,5-2,3). Эти приемы позволят уменьшить содержание ТМ в
растениях и снизить количество усваиваемых их форм в почвах.
Четвертый раздел посвящен изучению закономерностей фитодетоксикации почв,
загрязненных ТМ. Изучены методы повышения компенсаторного эффекта пригородных
экосистем с помощью биологических средств защиты почв от загрязнения ТМ. При этом
нами использован прием фитодетоксикации почв за счет выноса ТМ с урожаем
сельскохозяйственных растительных культур. Как видно из таблицы (см. табл. 4) в активный
период роста растений имеет место интенсивное поглощение ТМ из почвы и из атмосферы.
Концентрация ТМ в надземных органах и корнях растений является переменной величиной.
В фазах цветения и спелости физиологическая активность растений ослабевает, в связи с чем
происходит нарушение зависимости содержания ТМ в растениях от концентрации данных
токсикантов в элементах экосистем. Поглотительная способность растений в эти фазы
выражена крайне слабо или отсутствует.
Таблица 4.
Содержание тяжелых металлов в яровой пшенице (мг/кг сухого вещества)
Фаза роста
Пробы
Co
Ni
Pb
Cu
Cd
Mn
Zn
песок
4,7
5,0
8,4
10,3
1,6
213,5
120,6
Кущение
корни
2,8
4,2
4,6
8,5
1,2
164,8
132,1
листья и
3,4
4,8
5,9
6,0
1,8
183,2
95,4
стебли
песок
6,4
8,3
8,0
12,6
2,1
260,3
145,0
Цветение
корни
4,3
4,6
5,4
8,2
1,8
268,4
140,7
листья и
2,1
3,5
2,3
4,7
1,4
185,3
96,4
стебли
Химический анализ листьев и корнеплодов свеклы также свидетельствует о
возрастании содержания ТМ в этих органах культуры к концу вегетации. С корнеплодами
свеклы при уборке урожая в пересчете на гектар выносится в 5-10 раз больше металлов, чем с
корнями кукурузы, а листья свеклы содержат больше ТМ, чем листья зерновых злаковых и
бобовых кормовых культур. Полагаем, что свеклу можно использовать в качестве
детоксикатора почвы и воздуха. Однако, листья её перед скармливанием скоту в свежем
виде, силосованием или переработкой на травяную муку целесообразно подвергать водной
промывке.
Регулируя видовой состав растений и количество получаемой биологической массы,
можно достигнуть такого состояния, при котором из почвы будет выноситься больше ТМ,
чем поступать в неё и, следовательно, представляется возможность значительно уменьшить
опасность попадания ТМ в трофические цепи: «растения – человек», «растения - животные –
человек».
В пятом разделе изучены методы снижения содержания ТМ в готовой
сельскохозяйственной продукции. С целью снижения вероятности попадания ТМ в
трофические цепи в работе изучена возможность применения метода водной обработки
растительной биомассы, используемой на зеленый корм скоту, силосование и приготовление
кормовой муки (см. табл. 5). Обнаружено, что при 30-ти минутном замачивании клубней
картофеля концентрация ТМ в них снижается, в среднем, на 28 %, а при замачивании в
течении 2, 10 и 24 часов, соответственно, на 31, 34 и 39 %. Замачивание свежесобранных
зеленых листьев и стеблей картофеля позволяет значительно снизить в них концентрации
ТМ. Помещенные в проточную воду на 30 минут, данные части растения теряют до 47 %
ТМ, или почти в два раза больше, чем при замачивании клубней, так как значительное
13
количество ТМ, сорбированных из атмосферы поверхностью листьев и стеблей, при этом
достаточно легко извлекается.
Таблица 5.
Динамика содержания тяжелых металлов в картофеле при замачивании в воде
Продолжительность
Способ обработки
Замачивание в проточной водопроводной
воде комнатной температуры
—“— —“— —“—
—“— —“— —“—
—“— —“— —“—
Замачивание в проточной водопроводной
воде, с температурой 40-45 С
—“— —“— —“—
—“— —“— —“—
—“— —“— —“—
Замачивание
в
непроточной
дистиллированной
воде
комнатной
температуры
—“— —“— —“—
—“— —“— —“—
—“— —“— —“—
30 минут
В % к первоначальной
концентрации
ботва клубни
47
28
2 часа
10 часов
24 часа
30 минут
51
56
59
50
31
34
39
28
2 часа
10 часов
24 часа
30 минут
53
57
60
43
34
36
43
30
2 часа
10 часов
24 часа
47
50
51
33
36
39
В четвертой главе приведена оценка эколого-экономической эффективности
предлагаемых в работе решений с учетом порядка определения размеров ущерба от
загрязнения земель химическими веществами, который устанавливает правила расчета платы
за возмещение ущерба, причиненного загрязнением земель (почв) химическими веществами.
Проведенный расчет показал, что предотвращенный ущерб от загрязнения земель только ТМ
составит 190944 тыс. рублей в год.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Изучен характер взаимодействия антропогенных выбросов с различными типами
пригородных экосистем и методы повышения их компенсаторного эффекта;
установлено, что количество газообразных и пылевых выбросов в атмосфере
пригородной зоны обусловлено наличием, состоянием и взаимодействием экосистем;
наилучшие условия реализации компенсаторного эффекта (поглощения выбросов в
пригородной экосистеме) наблюдаются при соотношении площадей поля, луга и леса,
равном 1:2:1.
2. Обнаружено, что основным источником загрязнения растений и почвы соединениями
тяжелых металлов являются не только газообразные и пылевые выбросы
промышленных предприятий города, но и вносимые на поля, удобрения и препараты
химической защиты сельскохозяйственных культур; в результате суммарного
воздействия всех источников загрязнения происходит постепенное увеличение
концентраций тяжелых металлов в почвах полей пригородных зон; наиболее высокий
уровень загрязнения отмечается в пахотном горизонте (20-25 см) обрабатываемых
полей.
3. Осуществлено моделирование взаимодействия антропогенных выбросов с
компонентами пригородных экосистем; проведенный численный эксперимент
показал, что при дальнейшем увеличении антропогенной нагрузки на пригородные
14
4.
5.
6.
7.
8.
территории, даже при наличии оптимальных для рассеивания загрязняющих веществ
соотношений элементов экосистемы, концентрации тяжелых металлов в элементах
экосистем пригородной зоны значительно возрастут.
Изучены закономерности загрязнения тяжелыми металлами сельскохозяйственных
культур; показано, что приспособительные свойства растений наиболее полно
проявляются в сочетании с защитными свойствами почвы; полученные данные
позволяют рекомендовать для полей пригородов г. Тулы внесение комплексных
органо-минеральных удобрений и проведение известкования почвы сельхозугодий.
Изучены закономерности фитодетоксикации почв, загрязненных тяжелыми
металлами, методы повышения компенсаторного эффекта пригородных экосистем с
помощью биологических средств защиты почв от загрязнения тяжелыми металлами;
рекомендован прием фитодетоксикации почвы, заключающийся в регулировании
видового состава растительности и количества получаемой биомассы, введении в
полевой севооборот до 20-25 % площади полей, засаживаемых корнеплодными
культурами.
Предложены методы снижения содержания тяжелых металлов в готовой
сельскохозяйственной продукции; с целью снижения вероятности попадания тяжелых
металлов в трофические цепи «растения - человек», «растения - животные - человек»
изучена возможность применения метода водной обработки растительной биомассы,
используемой на зеленый корм животным, силосование и приготовление кормовой
муки.
Проведена оценка эколого-экономической эффективности предлагаемых в работе
решений с учетом порядка определения размеров ущерба от загрязнения земель
химическими веществами; проведенный расчет показал, что предотвращенный ущерб
от загрязнения земель только тяжелыми металлами составит 190944 тыс. рублей в год.
Результаты работы приняты к реализации хозяйствами, расположенными в
пригородных зонах г. Тулы (СПК «Приупские зори», СПК «Восход 2»).
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
1) Володин, Н.И. Влияние зеленых насаждений на запыленность воздуха [Текст]/ Володин Н.И.,
2)
3)
4)
5)
6)
Попов О.К.,. Денисова Ю.В (Стульникова Ю.В.) // Материалы 3-ей научно-практической
конференции "Современные проблемы экологии и рационального природопользования". Тула,
2003., с. 99-101.
Попов, О.К. Влияние древесно-кустарниковых насаждений на микроклимат города [Текст]/
Попов О.К., Денисова Ю.В. (Стульникова Ю.В.) // Материалы Всероссийской научнопрактической конференции "Роль социальных, гигиенических и биологических факторов в
становлении возрастных особенностей здоровья населения". Пенза, 2003., с. 194-196.
Володин, Н.И. Уменьшение распространения газообразных выбросов города [Текст]/ Володин
Н.И., Денисова Ю.В.(Стульникова Ю.В.) //Труды 6-ой международной научно-практической
конференции "Высокие технологии в экологии". Воронеж, 2003., с. 174-177.
Денисова, Ю.В. (Стульникова Ю.В.) Влияние системы защитных лесонасаждений на
содержание тяжелых металлов в почвах пригородных территорий [Текст]/ Денисова Ю.В. //
Труды 7-ой международной научно-практической конференции "Высокие технологии в
экологии". Воронеж, 2004., с. 51-54.
Попов, О.К., Фитодетоксикация почв пригородных территорий [Текст]/ Попов О.К.,. Денисова
Ю.В. (Стульникова Ю.В.) // Труды 7-ой международной научно-практической конференции
"Высокие технологии в экологии". Воронеж, 2004., с. 54-57.
Володин, Н.И. Характер распространения твердых атмосферных выбросов на территориях
пригородов в зимний период времени [Текст]/ Володин Н.И., Стульникова Ю.В. // Материалы
4-ой региональной научно-практической конференции "Современные проблемы экологии и
рационального природопользования в Тульской области". - Тула, 2004., № 4. - с. 65-70.
15
7) Володин, Н.И. Роль снежного покрова в защите растительности пригородных территорий от
воздействия антропагенных выбросов [Текст]/ Володин Н.И., Стульникова Ю.В. // Материалы
4-ой региональной научно-практической конференции "Современные проблемы экологии и
рационального природопользования в Тульской области". - Тула, 2004 г. № 4. - с. 70-75.
8) Володин, Н.И.Влияние зеленых насаждений на содержание окиси углерода в атмосферном
воздухе [Текст]/ Володин Н.И., Денисова Ю.В. (Стульникова Ю.В.) // Известия Тульского
университета. Серия "Геоинформационные технологии в решении региональных
проблем". 2005., № 2. - с. 68–70.
9) Попов, О.К. Исследования влияния загрязнения природных сред на развитие
сельскохозяйственных растений [Текст]/ Попов О.К., Стульникова Ю.В. // Материалы 2-ой
международной научно-практической конференции "Экологические проблемы современности".
Пенза, 2006., с. 158-160.
10) Стульникова, Ю. В. Роль лесонасаждений в распределении снежного покрова на полях
[Текст]/ Стульникова Ю.В. // Материалы 2-ой международной научно-практической
конференции "Экологические проблемы современности". Пенза, 2006.-с. 160-162.
11) Попов, О.К. Роль экосистемы пригородов в рассеивании газообразных и пылеватых выбросов
города [Текст]/ Попов О.К., Стульникова Ю.В. // Известия Тульского государственного
университета. Серия "Экология и рациональное преродопользование". 2006., № 1. – с. 61 64.
12) Стульникова, Ю.В. Воздействия тяжелых металлов на экосистемы пригородных территорий
[Текст]/ Стульникова Ю.В., Володин Н.И., Невский А.В. // Известия вузов. Химия и хим.
технол. 2009., Т. 52, № 5. - с. 125-127.
13) Стульникова, Ю.В Исследование факторов, влияющих на накопление тяжелых металлов в
растениях (на примере пригородной зоны г. Тулы) [Текст]/ Стульникова Ю.В., Володин Н. И. //
Известия Тульского университета. Серия "Науки о Земле". 2009., № 5. – с. 76-79.
Автор выражает искреннюю признательность за помощь, оказанную при выполнении
работы, научному консультанту - Невскому Александру Владимировичу, доктору
технических наук, профессору кафедры общей химической технологии ГОУВПО
«Ивановский государственный химико-технологический университет».
Ответственная за выпуск:
Ю.В. Стульникова
16