Оценка устойчивости почв и наземных экосистем Крыма к химическому загрязнению. Монография

2

УДК 57.04; 631.4; 504 ББК 40.3

В35

Рецензенты:

доктор биологических наук, профессор Т.М. Минкина; доктор биологических наук, профессор Т.В. Денисова

Вернигорова Н.А., Колесников С.И., Казеев К.Ш.

В35 Оценка устойчивости почв и наземных экосистем Крыма к химическому загрязнению : монография / Н.А. Вернигорова, С.И. Колесников, К.Ш. Казеев ; Южный федеральный университет. – Ростов- на-Дону : Издательство Южного федерального университета, 2015.

– 126 с.

ISBN 978-5-9275-1885-2

В монографии проведена сравнительная оценка устойчивости почв и наземных экосистем Крыма к загрязнению тяжелыми металлами (ТМ) и нефтью. Установлены закономерности изменения биологических свойств почв Крыма в условиях химического загрязнения, таких как общая численность бактерий, обилие бактерий рода Azotobacter, ферментативная активность, фитотоксичность, содержание гумуса и щелочнокислотные условия. Дана оценка возможности и целесообразности использования биологических показателей для проведения мониторинга, диагностики, индикации и нормирования почв. Предложены количественные ориентиры для разработки региональных нормативов предельно допустимого содержания нефти, хрома, свинца, меди и никеля в основных почвах Крыма на основе нарушения экологических и сельскохозяйственных функций почв.

Книга адресована специалистам в области экологии, природопользования, почвоведения, охраны окружающей среды, а также студентам и аспирантам.

Табл. 11, рис. 49, библ. 183.

Публикуется в авторской редакции.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (6.345.2014/К), Президента РФ (НШ-5316.2010,4;

НШ-2449.2014.4).

Монография опубликована за счет средств гранта Министерства образования и науки Российской Федерации (6.345.2014/K).

Вернигорова Н.А., Колесников С.И., Казеев К.Ш., 2015

Южный федеральный университет, 2015

4

5.6. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ БУРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ ПОСЛЕ ХИМИЧЕСКОГО

ГЛАВА 6. УСТАНОВЛЕННЫЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ОРИЕНТИРЫ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ РЕГИОНАЛЬНЫХ НОРМАТИВОВ…………………...…...99

5

ВВЕДЕНИЕ

Одной из приоритетных экологических проблем современности является химическое загрязнение почв. В 2015 году началось строительство автомобильного и железнодорожного моста через Керченский пролив. Увеличение транспортного потока в Крым и развитие сопутствующей дорожной и курортной инфраструктуры может вызвать усиление загрязнения почв.

На территории Крыма расположены уникальные для России почвы и экосистемы, такие как коричневые почвы сухих дубовых и фисташковых лесов и можжевелового редколесья (горный Крым), черноземы южные (каштановые) южно-европейской фации под виноградниками (степной Крым), рендзины горных лесов и лугов, реликтовые терра-росса (южное побережье Крыма) и др. При этом пределы устойчивости этих почв к химическому загрязнению не установлены.

Цель данной работы — оценить устойчивость почв Крыма к химическому загрязнению (Pb, Cu,Cr, Ni, нефть) по биологическим показателям.

В соответствии с целью были поставлены задачи:

1.Исследовать закономерности изменения биологических свойств почв Крыма в зависимости от природы и содержания загрязняющих веществ.

2.Дать сравнительную оценку устойчивости почв и наземных экосистем Крыма к химическому загрязнению.

3.Определить целесообразность использования биологических показателей в мониторинге, диагностике, индикации и нормировании почв Крымского полуострова.

4.Установить количественные ориентиры для разработки региональных нормативов предельно допустимого содержания хрома, свинца, меди, никеля и нефти в основных почвах Крыма на основе нарушения экологических функций почв.

Главы 5.1 и 5.2 написаны в соавторстве с А.С. Цалоевой, 5.4 — в соавторстве с А.Н.Тимошенко, 5.5 — в соавторстве с Ю.В. Ляшенко, 5.6 и 5.7

—в соавторстве с Е.В. Яровой.

6

ГЛАВА 1. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Под химическим загрязнением почв понимают изменение химического состава почвы, возникшее под прямым или косвенным воздействием фактора землепользования (промышленного, сельскохозяйственного и др.), вызывающее снижение ее качества и несущие возможную опасность для здоровья населения (Сорокин и др., 2012).

Опасность загрязнения почв определяется уровнем ее возможного негативного влияния на поверхностные и подземные воды, воздух, пищевые продукты и прямо или опосредованно на человека, а так же на свойства почвы и процессы ее самоочищения (Сорокин и др., 2012, Жеребцов, 2014).

Согласно ГОСТ 17.4.3.06-86 почвы подразделяются на сильнозагрязненные, среднезагрязненные и слабозагрязненные (Сорокин, 2012). К первым относятся те почвы, в которых содержание загрязняющего вещества в несколько раз превышает ПДК, имеющие, под химическим воздействием, низкую биологическую активность существенное изменение физикомеханических и химических характеристик. Ко вторым относятся те почвы, в которых установлено превышение ПДК без значительных изменений в свойствах почв. К третьим относятся почвы, содержание химических веществ в которых не превышает ПДК, но выше их естественного фона.

Степень устойчивости почв к химическим загрязняющим веществам оценивают по отношению к конкретному химическому загрязняющему веществу, которыми загрязнена исследуемая почва.

Н.Д. Сорокин с соавторами (2012) различает педохимические вещества, создающие кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия в почвах и воздействующие этим на почвенно-геохимическую обстановку. Это преимущественно макроэлементы и их соединения, ухудшающие качество и плодородие почвы; биохимически активные вещества,

7

воздействующие на организмы (микроорганизмы, растения, животные); вещества, способные находиться в почве в формах, ведущих к миграции в атмосферный воздух, растительность, поверхностные, грунтовые и подземные воды.

При оценке устойчивости почв к химическому загрязнению необходимо учитывать показатели ранней диагностики появления неблагоприятных изменений свойств почв, пригодных для биологических тестов, микроморфологических наблюдений, и ферментативных анализов и ряда других исследований (Демина, 1995, Девятова, 2006).

В наше время проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами по степени опасности вышла на второе место, лишь немного уступая пестицидам, но намного серьезней загрязнения двуокисью углерода и серой. Такая динамика связаны с их повсеместным использованием практически во всех сферах промышленности в плюсе со слабыми системами очистки. Как результат, ТМ попадают в окружающую среду, в том числе и в почву, загрязняя и отравляя ее.

Тяжелые металлы (ТМ) представляют собой большой спектр загрязняющих веществ. В качестве критериев, по которым относят вещество к ТМ, используются такие как: атомная масса, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы.

Большинство ученых сходятся во мнении, что к тяжелым металлам (ТМ) следует отнести более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, атомная масса которых составляет свыше 50-ти атомных единиц массы. Это Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Mo, Mn, Ni, Sn, Co и др (Орлов и др., 1991; Ильин, 2000).

Однако, использующееся понятие «тяжелые металлы» не является строгим, поскольку, к ТМ часто относят элементы-неметаллы, например,

8

As, Se, а иногда даже F, Be и др. то есть, те элементы, масса атомов которых меньше 50 а. е. м. (Колесников, 2006).

Из этого следует, что в научной литературе нет общепринятого термина для обозначения такой группы элементов-неметаллов как As, Se, F, В, Be и другие. Их называют «продукты техногенеза», «тяжелые металлы», «микроэлементы» и т.д. Однако ни один из этих терминов не является безукоризненным и точно отражающим их особенности (Колесников, 2006).

В экологии, чаще всего, ТМ рассматривают с медицинской и природоохранной точек зрения. К подобным металлам относят: Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg (Реймерс 1990).

1.1. ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Традиционно выделяют 2 источника загрязнения почв ТМ – естественный и антропогенный (техногенный).

Первый источник сформировал на нашей планете геологический (определяет экзо- и эндогенные процессы) и биологический (сложился под деятельностью живых организмов) круговорот веществ. А второй сформировался благодаря развитию человеческой цивилизации, а именно произ- водственно-хозяйственной деятельности человека (Колесников, 2006).

Антропогенный круговорот включает в себя компоненты, ранее в природе не существовавшие. Более того, он не замкнут. Именно эта экологическая особенность приводит к загрязнению природной среды. Важная роль в этом загрязнении отводится избыточному поступлению в биосферу тяжелых металлов (ТМ) (Колесников, 2006).

Среди естественных источников поступления ТМ в почву можно выделить: извержение вулканов, лесные пожары, морская вода и др.

9

А среди антропогенных: топливные электростанции, предприятия по добычи и переработке цветных металлов, транспорт, машиностроение, химическая промышленность, сельскохозяйственное производство.

Поступают ТМ в окружающую среду в виде пыли газов и аэрозолей (возгонка металлов промышленных предприятий и автотранспорта), в составе сточных вод и бытовых отходов.

К обогащению почв такими микроэлементами, как хром, ртуть, кадмий, стронций, бериллий, никель, цинк, медь, которые аккумулируются, в основном, в верхнем слое почвы от 3 до 5 сантиметров, привела разработка месторождений полезных ископаемых, обогащение руд, их транспортировка и накопление отходов промышленных предприятий, металлургическое производство. В районах действия обогатительных фабрик и металлургических заводов наблюдается образование поясов с повышенными содержаниями ряда микроэлементов в почве. Складирование промышленных отходов также приводит к загрязнению почв, вод и растений рядом химических элементов. Поступление в почву тех или иных химических элементов и соединений связано также с производством и применением в сельском хозяйстве удобрений и ядохимикатов.

Во многих областях напряженность экологического состояния возрастает в связи с устаревшей технологией и оборудованием предприятий, не замкнутостью систем водопотребления, накоплением в предельно опасном количестве отходов добывающей промышленности и т.д., неразвитостью утилизации отходов производства, систем очистки воздуха и вод. Транспортные загрязнения возрастают в связи с широким использованием низкосортного топлива, отсутствием жестких экологических требований к транспорту, ужасным состоянием дорог и др. Экологическое состояние городов, особенно мегаполисов, усложняется в виду сведения лесопарковых зон и иных зон отдыха под застройки и рекреационные зоны.

10

Более того, отмечено, что тяжелые металлы, в отличие от других поллютантов, могут сохраняться в почве длительное время даже после устранения источника загрязнения.

1.2.ПОВЕДЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ

Всостав почвы входят четыре важнейших компонента: минеральная основа (50-60 % от общего объема); органическое вещество (до 10 %); воздух (15-25 %); вода (25-35 %). Поведение тяжелых металлов в почве в основном определяется почвенными характеристиками, к которым относятся гранулометрический состав, содержание гумуса, органики, pH и др. (Di Giuseppea, 2014).

Гранулометрический состав почвы это относительное содержание в почве частиц различного диаметра.

Так, в почвах тяжелого гранулометрического состава, как правило, обнаруживаются более высокие концентрации ТМ. Это связано с тем, что меньший диаметр частиц создает большую удельную поверхность, а это, в свою очередь создает большие величины емкости катионного обмена, водоудерживающею способность, лучшую агрегированность, но меньшую прочность. Тяжелые почвы могут иметь проблемы с воздухосодержанием,

алегкие — с водным режимом. (Иванов, 1989).

Впочвах с высоким наличием глинистой и илистой фракций содержится повышенное количество Са, Mg и Ре (обозначение изделий из полиэтилена). Глинистые минералы в основном сорбируют Cr, Cu, Ni, Zn, имеющие небольшой ионный радиус (Алексеев, 1987).

Кислотно-щелочные условия влияют на растворимость и подвижность органических и неорганических соединений тяжелых металлов. При кислых рН, снижается катионная поглотительная способность почвы, а мобильность тяжелых металлов возрастает. При нейтральных рН увеличива-