Бычинский В.А., Вашукевич Н.В. Тяжелые металлы в почвах в зоне влияния промышленного города

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Иркутский государственный университет

Биолого-почвенный факультет кафедра почвоведения

Бычинский В.А., Вашукевич Н.В.

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ

ПРОМЫШЛЕННОГО ГОРОДА

Учебное пособие для студентов дневного обучения специальности 01.15.00 – геология

и геохимия горючих ископаемых

Иркутск 2008

Печатается по решению научно-методического совета

Иркутского государственного университета

БКК

УДК

В.А.Бычинский, Н.В.Вашукевич. Тяжелые металлы в почвах в зоне влияния

промышленного города. – Иркутск: Изд. Иркут. Ун-та. 2007, – 160 с.

В пособии приведены результаты изучения процессов распределения

и особенностей поведения химических элементов в почвах в зонах

интенсивного техногенного воздействия, обусловленного типичным

для промышленных зон сопряжением источников загрязнения:

поступающих с очистных сооружений сточных вод, поверхностного

стока с территории комбината, речных вод и атмосферных выпадений

(дождь и аэрозоли). Изложены основы методов геоэкологического

исследования процессов загрязнения почв тяжелыми металлами.

Показано, как характеристики почв и других сред используются в

геоэкологических исследованиях.

Пособие посвящено региональным проблемам и методам

геоэкологического мониторинга природной среды, решение которых

требует объединения исследователей естественных и технических

наук для контроля природных явлений и процессов.

На примере Усольской промышленной зоны рассмотрены результаты

применения комплексных методов изучения почв для определения

геоэкологических ситуаций, что требует создания полигонов с

постоянными пунктами наблюдений, с использованием

мониторинговых технологий.

Предлагаемые методы могут применяться для определения

геоэкологического потенциала, геоэкологической паспортизации

природных объектов, необходимых для прогноза, экспертизы, оценки

геоэкологических ситуаций в районах активного освоения природных

ресурсов.

Пособие состоит из четырех глав. Глава 1. Теоретическое

обоснование работ по мониторингу природной среды. Глава 2.

Методы и техника исследования почв в полевых условиях. Глава 3.

Э к о л о г и ч е с к и й м о н и т о р и н г п о ч в . Глава 4. Ос обе н н о с ти

ф у н к ц и о н и р о в а н и я п о ч в урбоэкосистем Глава 5. Поведение тяжелых

металлов в системе почва атмосфера природные воды. Глава 6.

Антропогенная трансформация почв Усольского Агропромышленного

Района

Учебное пособие будет полезно преподавателям и студентам,

занимающимся вопросами геоэкологического мониторинга.

Описание методов геоэкологических исследований сопровождается

примерами различных природных и техногенных обстановок.

Пособие предназначено для студентов естественнонаучных

специальностей.

Библиография 48. Ил. 10. Табл. 7

Рецензент доктор геол.-минерал. наук, Ломоносов И.С.

 Бычинский В.А., Вашукевич Н.В.

 Иркутский государственный университет, 2008.

стр.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава I

Теоретическое обоснование работ по проблемам мониторинга природной

Среды

1.1

Значение и проблемы геоэкологии

1.2

Комплексный мониторинг на основе современных и перспективных

технологий

1.3

Проблемы и рекомендации проведения геоэкологического мониторинга

природной среды Сибири

1.4

Проблемы изучения геоэкологии Сибири

1.5

Проблемы проведения геоэкологического мониторинга природной среды

Сибири

Выводы

Глава II

Методы и техника исследования почв в полевых условиях

2.1

Подготовительные работы к проведению почвенных исследований

2.2

Методы и техника исследования почв в полевых условиях

2.3

Предварительное установление основных маршрутов

2.4

Выбор места и техника закладки почвенных разрезов

2.5

Описание почвенных разрезов

2.6

Техника выемки почвенных образцов

2.7

Составление полевого почвенного плана и заключительного отчета

2.9

Камеральная обработка полевых материалов

2.10

Написание предварительного отчета по исследованию почв

Глава III

Э к о л о г и ч е с к и й м о н и т о р и н г п о ч в

6 1

3 . 1

П о н я т и е о б э к о л о г и ч е с к о м м о н и т о р и н г е

6 1

3 . 2

О с о б е н н о с т и п о ч в ы к а к о б ъ е к т а м о н и т о р и н г а

6 1

3.3

Почвенный экологический мониторинг: понятия, показатели, о б ъ е к т ы , в и д ы

6 3

3.4

Научно-методические подходы к оценке степени з а г р я з н е н и я п о ч в

6 6

3 . 4 . 1

О ц е н к а н а о с н о в а н и и с а н и т а р н о -г и г и е н и ч е с к о г о н о р м и р о в а н и я содержания в

почвах загрязняющих веществ

3 . 4 . 2

О ц е н к а г е о х и м и ч е с к и х и з м е н е н и й , п р о и з о ш е д ш и х п р и антропогенном

в оз де йс т ви и

3.4.3

Оценка совокупного действия загрязнителей с учетом степени их т о кс и чн о ст и

6 8

Глава IV

О с о б е н н о с т и ф у н к ц и о н и р о в а н и я п о ч в урбоэкосистем

7 2

4.1

Группировка и диагностика городских почв

4.2

Виды и уровни загрязнения городских почв

Глава V

Поведение тяжелых металлов в системе атмосфера вода почва в зоне

промышленного воздействия

5.1

Выявление деградационных процессов и оценка степени деградации

5.2

Систематика и распространение

5.3

Виды и уровни загрязнения городских почв

Глава VI

Антропогенная трансформация почв Усольского Агропромышленного района

6.1

Общая характеристика основных типов почв Верхнего Приангарья

6.2

Морфологические, химические и физические свойства основных типов почв

Верхнего Приангарья

6.3

Методика работ

100

6.4

Геохимическая характеристика основных типов почв Верхнего Приангарья

104

6.5

Подвижные формы химических элементов в основных типах почв Верхнего

Приангарья

111

6.6

Антропогенные трансформации почв Усольского Агропромышленного района

(на примере воздействия техногенной эмиссии ртути)

115

Глава VII

Экологический мониторинг почв города Иркутска (оценка степени

загрязнения)

123

7.1

Оценка степени загрязнения почв города Иркутска

123

7.2

Анализ изменения степени загрязнения почв по показателю суммарного

коэффициента техногенного загрязнения Z

125

Литература

131

Мы не привыкли сознавать, какие изменения вносит

человеческая деятельность в историю природных сред, и

не привыкли это учитывать. Мы этого не делаем пока

потому, что общая картина явлений еще не установлена.

В.И. Вернадский

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время во многих регионах техногенное загрязнение почв достигло

такого уровня, что представляет серьезную опасность для человека. Особенно сильное

техногенное воздействие испытывают территории, прилегающие к крупным

промышленным производствам. Как правило, практически любые техногенные явления

и процессы, происходящие в пределах непосредственного воздействия промышленных

производств, быстро отражаются на состоянии экосистем, в целом. В сложившейся к

настоящему времени системе природопользования функции почв изменились: они

превратились в приемники с загрязненного поверхностного стока с территорий городов

и промышленных зон. Отсюда следует, что различные мероприятия, направленные на

выявление, снижение, предотвращение и ликвидацию последствий техногенного

загрязнения, должны осуществляться именно на локальном уровне. А для этого нужна,

прежде всего, информация, объективно оценивающая ситуацию, сложившуюся в том

или ином районе, что, в сущности, и определяет необходимость детального

геохимического изучения особенностей распределения и поведения загрязняющих

веществ в реках в условиях техногенеза.

Геохимические процессы, происходящие в почвах, играют важную роль в судьбе

поллютантов, поскольку органическое вещество, контролируя их перераспределение в

экосистеме между ее различными компонентами и, как правило, формирование

устойчивых зон загрязнения. С этой точки зрения большое значение имеет изучение

пространственно-временных особенностей распределения загрязняющих веществ,

установление форм миграции поллютантов и закономерностей их преобразования под

воздействием факторов окружающей среды.

В зоне влияния техногенного источника загрязнения (например, Усольского

промышленного района) поведение загрязняющих веществ зависит от многих

факторов, которые можно подразделить на близко- и дальнодействующие.

Близкодействующие факторы в большей степени определяются характеристиками

сброса сточных вод; дальнодействующие – зависят от широкого диапазона условий,

свойственных экосистеме. В ближней – к источнику загрязнения зоне параметры

пространственно-временного распределения поллютантов зависят от их уровня

содержания и форм нахождения в сточных водах и газопылевых выбросах, объемов и

режима поступления последних, геоморфологических и других характеристик, прежде

всего, от состояния и типа почв. По мере удаления от источника загрязнения поведение

загрязняющих веществ в существенной мере зависит уже от естественных условий их

миграции и определяется факторами и явлениями, свойственными окружающей среде.

Поэтому целесообразно рассматривать особенности распределения химических

элементов в структуре почвенного покрова, обусловленные характером источника

загрязнения. Именно на примере такого сопряжения промышленный объект –

природная среда изучено поведение в почвах группы тяжелых металлов, традиционно

относимых к приоритетным поллютантам (Cr, Ni, Cu, Zn, Cd, Hg, Pb), а также ряда

других химических элементов и их соединений.

Совершенно очевидно, что активное освоение природных ресурсов без учета

специфических почвообразующих процессов, протекающих в различных структурно-

геоморфологических и природно-климатических условиях районов Восточной Сибири,

не возможно. Научно-обоснованный прогноз последствий техногенного воздействия

требует новых подходов к комплексному анализу природной среды, использующих

современные химико-аналитические и геоинформационные методы для определения

геоэкологического потенциала природной среды и геоэкологической паспортизации

природных объектов, для проведения комплексного геомониторинга природной среды

Сибири.

Работая над этими темами, авторы ставили следующие цели:

- выявить и систематизировать факторы эндо- и экзо-техногенного воздействия на

территории, непосредственно прилегающие к природным объектам;

- разработать каталог эндо- и экзо-техногенных признаков для геоэкологической

паспортизации природных объектов и геоэкологического мониторинга промышленных

зон Восточной Сибири;

- разработать комплексный подход к составлению геоэкологической паспортизации

почв;

- разработать каталог признаков геоморфогенеза природных объектов для

геоэкологической паспортизации и мониторинга.

Для этих целей были проведены комплексные эколого-геохимические и другие

исследования, необходимые для составления и обновления тематических карт. Кроме

того, разработана классификация речных бассейнов, болотных массивов, склоновых

процессов для комплексного мониторинга и геоэкологической паспортизации

природных объектов с учетом природно-климатической зональности Сибири.

Разработанные методы комплексного геомониторинга природных объектов, их

геоэкологическая паспортизация и экспертиза позволяют более полно изучать

динамику природных процессов, их активизацию в связи с влиянием антропогенно-

техногенных факторов при освоении природных ресурсов. Изложенные в предлагаемом

пособии материалы могут быть полезны как для проведения геомониторинга

природной среды в различных условиях Сибири, так и для преподавания

соответствующих дисциплин по геоэкологии в учебных заведениях.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАБОТ ПО ПРОБЛЕМАМ МОНИТОРИНГА

ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

1.1. Значение и проблемы геоэкологии.

С резким глобальным обострением геоэкологической обстановки почти все

науки о Земле, в том числе и почвоведение, изучающие почвообразовательные

процессы, подключившись к разработке новых методов в решении геоэкологических

проблем, способствовали появлению экологического направления.

Как известно, почва испытывает нагрузку не только эндогенных и экзогенных

природных факторов, но и антропогенных, изменяющих направленность и

интенсивность естественных природных процессов и явлений. Поэтому в последнее

время много работ посвящено глобальным, теоретическим и понятийным вопросам

ГЕОЭКОЛОГИИ [Аковецкий, 1986; Арманд, 1989].

Эта дополнительная «нагрузка» не только приводит к образованию техносферы

Земли, но и к нарушению сложившегося динамического равновесия в биосфере, как на

региональном, так и на глобальном уровне. Поэтому необходима полная, комплексная

характеристика природных условий исследуемого района: ландшафтные, геолого-

геоморфолоические, структурно-геоморфологические и многие другие данные.

Учение о геосистемах, сформулированное В.Б.Сочава в 1975 г., разрабатывалось

как теоретическая основа рационального использования и оптимизации природной

среды. Он писал: «При современных условиях необходимо изучать не только

отдельные компоненты природы, а связь между ними, не ограничиваться морфологией

ландшафта и его подразделений, а вдаваться в изучение их динамики, функциональной

структуры, порядка связей, «зависимостей взаимообусловленности» [Современные

изменения в литосфере…., 1996].

Под «геосистемой» В.Б. Сочава понимал системы особого класса, для анализа

которых необходимы не только свои методические приемы, но и специальная

системная теория. Создание новой методологии на основе системного анализа

функциональной дифференциации территории и пространственных связей в

географической оболочке на планетарном и региональном уровнях явилось

основополагающим вкладом В.Б. Сочавы в теорию и практику учения о геосистемах.

Для прогноза развития природы под воздействием человека необходимы стационарные

наблюдения на полигонах, расположенных в различных природно-климатических,

структурно-геоморфологических условиях, с целью изучения признаков появления

районов повышенного экологического и геоморфологического риска.

Для выделения зон повышенного геоморфологического риска и

геодинамических напряжений в различных природно-климатических условиях Сибири

большое значение приобретает изучение совокупности природных и антропогенных

компонентов, входящих в природно-территориальный комплекс (геосистему), где

климат, рельеф, почвы и техногенные потоки являются основными факторами,

формирующими условия существования экосистем. Поэтому изучение особенностей

изменения химического состава почв, познание закономерностей их преобразования

являются актуальной задачей.

В настоящее время в связи с активным освоением природных ресурсов без учета

специфических особенностей осваиваемых регионов в различных природно-

климатических условиях Сибири возникли зоны повышенного экологического риска.

Все это предопределило появление нового направления в экологии – исследование

геоэкологических особенностей зон повышенного техногенного риска. Изучение

взаимосвязи изменения химического состава природных объектов с ее геологическими,

биогеохимическими и антропогенными процессами, отражающими направление

современного развития природных систем, позволяет выделять зоны повышенного

антропогенного риска в различных природно-климатических условиях Сибири

[Зятькова идр., 2001].

В результате проведенных исследований были определены прямые и косвенные

критерии выделения зон повышенного риска. К прямым признакам относятся

интенсивность эрозионного расчленения, резкие высотные превышения в современном

рельефе относительно прилегающих межгорных впадин; врезанные речные долины с

цокольными террасами, зоны разломов. К косвенным признакам относятся

ландшафтные (слабо измененные, измененные, вновь созданные) и техногенные

факторы, созданные в результате влияния человека. Антропогенно-техногенное

воздействие усугубляет критические ситуации в зонах повышенного

геоморфологического риска, усиливает процессы эрозии, формирования оврагов и

склонов, а также, в целом, весь экзолитодинамический процесс.

Все эти факторы учитывались при составлении эколого-природоохранных

паспортов природных объектов в районах активного освоения и тематических

природоохранных карт как приложений для этих паспортов. Кроме того, проводилось

моделирование системы «почва – человек – экология» с целью критической оценки и

эколого-геохимических показателей в зонах повышенного риска.

Все работы проводились в несколько этапов.

Первый этап – подготовка материалов и исходной информации для исследуемых

регионов с целью выявления зон повышенных, геолого-геоморфологических

напряжений, ландшафтных изменений и эколого-социальных преобразований земной

поверхности. Все показатели или критерии этих напряжений, изменений оцениваются

по пятибалльной системе для составления карты экологического потенциала зоны

повышенного геоморфологического риска.

Второй этап – составление тематических природоохранных карт, а также эколого-

природоохранных паспортов природных объектов (почв) в пределах зон техногенного

воздействия, с выявлением ведущих процессов морфогенеза.

Третий этап – полевая проверка, уточнение и подготовка материалов для дальнейших

исследований, позволяющих интерпретировать геоэкологические показатели.

Подготовка материалов для базы данных с последующей компьютерной обработкой.

Четвертый этап – составление объяснительной записки в виде эколого-

природоохранного паспорта как природоведческого документа, отражающего

прогнозно-оценочные и рекомендательные природоохранные мероприятия в

исследуемых регионах.

К паспорту прилагается серия тематических карт, отражающих зоны

повышенного геоморфологического риска. К ним относятся интенсивность

эрозионного расчленения, аномальные падения рек, новейшая тектоника, почвенные

карты склоновых процессов и т. д.

Геоэкологическая паспортизация требует подготовки новых научных и

производственных кадров, и нового «экологического» воспитания специалистов,

имеющих отношение к исследованию и использованию природных ресурсов [Зятькова ,

1993; Зятькова и др., 1991]. Необходимо изучать не только современное состояние

«геосистем», но и их эволюцию; восстанавливать палеогеографическую историю

развития рельефа, что требует проведения геолого-геоморфологических

реконструкций. Необходимо знать, на какой срок можно и нужно ориентировать

географический прогноз. По мнению Б.В. Сочава он должен даваться не менее, чем на

15 лет. Для стационарных геоэкологических исследований в различных регионах

Сибири важно и ценно то, что они должны проводиться по единой методике и сходным

программам.

Диапазон геоэкологических наблюдений достаточно широк. Прежде всего, это

изучение техногенных и техногенно-обусловленных экосистем, измененных

деятельностью человека, а также экзо- и эндогенными процессами, действующими в

разных природных зонах и геоструктурных областях; выявление их влияния на условия

жизни различных биологических видов и, главным образом, человека.

При проведении геоэкологических направленных исследований рационально

применять комплекс как традиционных, так и новых методов, среди которых можно

выделить: 1) специальное картографирование для выделения техногенной

составляющей геоморфогенеза; 2) физическое и математическое моделирование

измененных техногенезом природных процессов и созданных ими форм в будущем; 3)

мониторинговые наблюдения, имеющие инженерно-геоморфологическую

направленность, и др.

Из всего многообразия исследований, обеспечивающих решение

геоэкологических задач, можно выделить два основных направления:

1. Исследование прямых и косвенных взаимоотношений между элементами

техносферы и биосферы, направленное на предсказание и устранение нежелательных

последствий геоэкологических изменений почв. Это направление развивается в рамках

почвоведения с широким привлечением инженерных знаний и имеет важное

прикладное значение.

2. Исследование загрязненных почв для разработки теоретических основ системного

подхода к изучению процессов деструкции почвенного покрова в связи с этим –

решения таких геоэкологических задач, как оптимизация пространственного

распространения и разработка стратегии планирования техногеосистем.

Экологическая геохимия изучает процессы изменения состава и свойств

объектов окружающей среды и изменяющиеся под влиянием техногенного воздействия

условия с точки зрения их влияния на жизнедеятельность организмов, прежде всего,

человека. Особое внимание уделяется негативным последствиям накопления тяжелых

металлов в почвах. В указанном понимании экологическая геохимия не заменяет и не

дублирует других естественных наук, исследующих общие результаты воздействия

трудовой деятельности человека на природные процессы. К проблемам экологической

геохимии следует относить вновь возникающие в естественных ландшафтах

геохимические аномалии и процессы, их формирующие, связанные с искусственными

сооружениями. Человек все более становится средообразующим фактором, создающим

или провоцирующим своей деятельностью специфические, подчас отсутствующие в

природе, процессы преобразования земной поверхности суши и дна водоемов.

К объектам исследований экологической геохимии следует отнести

разнообразные горнопромышленные, мелиоративные, химико-технологические и т. п.

новообразования, а также различные строительные и производственные сооружения и

сопутствующие им скопления отходов и концентраций разных материалов,

занимающих ныне огромные пространства и создающие особый облик земной

поверхности.

Быстротечность техногенных процессов, трудно предсказуемый их характер,

изменчивость форм существования многих элементов, значительная трансформация

слагающего объекты окружающей среды материала (часто искусственного типа)

требуют усовершенствования методик их исследования и прогнозирования

дальнейшего развития. Обязательным становится мониторинговый тип наблюдений;

детальное картирование и многократное фиксирование состояния всех компонентов

природного объекта (атмосферы, почв, вод и т.д.); широкое использование

инструментальных и дистанционных методов; слежение за изменениями

пространственно-временного размещения исследуемых объектов и происходящих при

этом процессов и явлений, особенно связанных с гидрогеологическими,

геохимическими, литологическими, ландшафтными изменениями в пределах

исследуемых регионов. Очень важным является выделение районов распространения

импульсивных процессов (например залповых выбросов), часто локально

проявляющихся во времени и пространстве на общем фоне обычных природных

условий региона.

Обобщение огромного регионального геоэкологического материала

свидетельствует о том, что экогеохимия должна рассматривать установившееся

равновесие в исследуемых природных объектах как результат взаимодействия потоков

вещества и энергии различного ранга, начиная от планетарных до элементов рельефа,

связанного с микроклиматологией, геохимией ландшафтов и т. д.

Для каждой природно-климатической зоны характерны свои специфические

процессы, связанные со своеобразным проявлением геоэкологических ситуаций, в

результате активизации антропогенно-техногенных факторов при освоении природных

ресурсов. Для криолитозоны – зоны тундры – близкое залегание вечной мерзлоты,

характерны солифлюкционные процессы, связанные с течением грунта; морозное

выветривание, термокарстовые просадочные явления. В зоне тайги (в лесной зоне) – в

основном эрозионно-аккумулятивные процессы, связанные с деятельностью

поверхностных вод речных бассейнов и оврагообразованием. В лесостепной и степной

зонах, где активизируется не только деятельность поверхностных, но и грунтовых вод,

характерны эрозионно-аккумулятивные, эолово-дефляционные процессы, создающие,

при нарушении природного равновесия, кризисные экологические ситуации и зоны

повышенного риска. Не менее важно учитывать и взаимоотношения между

хозяйственным объектом и почвой с целью выделить нарушения не только в

пространственном, но и в функциональном отношении.

На рубеже XXI в. наиболее остро встали вопросы изучения прогноза и оценки

геоэкологической устойчивости природной среды жизнеобитания в условиях

различного геоэкологического потенциала в различных природно-климатических

условиях. Под геоэкологической устойчивостью природной среды понимается

способность почв, при активном влиянии антропогенно-техногенных факторов,

сохранять и восстанавливать свои свойства, обеспечивающие нормальные условия

жизнеобитания. В связи с геоэкологизацией наук о Земле, проведенные исследования

дают дополнительную информацию о влиянии человека на формирование «ноосферы»

В.И. Вернадского (1989) – сферы влияния антропогенно-техногенного фактора на

окружающую природную среду, изучению которой большое внимание уделял А.Л.

Яншин (1989).

В современном развитии всех геоэкологических глобальных направлений в

науках о Земле большую роль сыграла Конференция ООН по окружающей среде и

развитию, которая проходила в Рио-де-Жанейро в июне 1992 г. [Географические

основы…., 1996 ]. После этой конференции активно проявляется международное

сотрудничество в области охраны окружающей природной среды [Кондратьев, 1997];

ставятся проблемы всех наук о Земле, в связи с актуальными вопросами экологии в

природопользовании на пороге XXI века [Кондратьев, 1991].

В это время выходит ряд правительственных программ и постановлений,

законов Российской Федерации, а именно: 1 – «О федеральной целевой программе

предотвращения опасных изменений климата и их отрицательных последствий»; 2 – «О

порядке ведения государственного учета, государственного кадастра и

государственного мониторинга объектов животного мира»; 3 – «О порядке ведения

государственного кадастра особо охраняемых природных территорий»; 4 – «О порядке

ведения государственного кадастра особо охраняемых природных территорий Арктики;