Содержание
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ... 4
Глава 1. Характеристика ландшафтных особенностей формирования почвенного покрова степной зоны Южного Урала... 13
1.1 Географическое расположение и физико-географическое районирование района исследований... 13
1.2 Восточно-Европейская равнина... 16
1.3 Уральская горная страна... 24
1.4 Тургайская столовая страна... 30
Глава 2. Методические основы эколого-геохимических
исследований почв... 32
2.1 Методология формирования сети почв-эталонов при организации и проведении экологического мониторинга... 32
2.2 Методика почвенно-геохимических исследований и применение данных в почвенном мониторинге... 36
Глава 3. Эколого-геохимические особенности эталонных почв Красной книги почв Оренбургской области... 47
Глава 4. Геохимическое состояние почвообразующих пород и почв степной зоны Южного Урала... 57
4.1 Содержание подвижных форм тяжелых металлов в основных почвообразующих породах... 57
4.2 Распределение подвижных форм тяжелых металлов по ландшафтно-типологическим комплексам... 62
4.3 Геохимическое состояние почвенного покрова... 64
4.4 Фоновые значения геохимического состояния почв и почвообразующих пород... 72
Глава 5. Экологическая оценка геохимического состояния техногенно-загрязненных почв... 79
3
5.1 Эколого-геохимическая оценка почвенного покрова территории Оренбургского газохимического комплекса... 83
5.1.1 Экологическая характеристика состояния природных сред... 83
5.1.2 Содержание валовых форм тяжелых металлов в почвах... 88
5.1.3 Подвижные формы тяжелых металлов в почвенном покрове... 94
5.2 Эколого-геохимическое состояние почвенного покрова города Оренбурга... 101
5.2.1 Характеристика экологического состояния природных сред города Оренбурга... 101
5.2.2 Валовое содержание тяжелых металлов в почвах города Оренбурга... 107
5.2.3 Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах города Оренбурга... 112
5.3 Характеристика загрязнения тяжелыми металлами сопредельных сред и приемы детоксикации избыточных количеств тяжелых металлов в почвах... 117
ЗАКЛЮЧЕНИЕ... 121
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ... 124
ПРИЛОЖЕНИЯ... 145
Введение
4 ВВЕДЕНИЕ
Почва - сложный биокосный многофункциональный блок биосферы, объединяющий в единое целое «мертвую материю» (горные породы и минералы) и «живую природу» (микро- и макроорганизмы и растения). Специфика почвы состоит в том, что она по сравнению с атмо-, гидро- и биосферой более устойчива и обладает свойствами рефлекторности (реакции на воздействие) и сен-сорности (функционально-структурно-вещественного «наследования» результатов реакции). Почвенная биогеосистема, образованная процессами геологического и биохимического круговоротов, предопределяет условия для функционирования целостного, взаимозависимого сообщества организмов (биоценоза). Определяющим фактором образования и развития почв является «живое вещество», в результате жизнедеятельности которого формируется специфический органический полимер - гумус. Все эколого-функциональные свойства почв находятся в прямой зависимости от его количественно-качественных особенностей.
На современном уровне экономического развития загрязнение биосферы в целом, и почв в частности, отходами, выбросами и сточными водами всех видов промышленного производства, сельского хозяйства, коммунального хозяйства городов приобрело глобальный характер и вызывает серьезную тревогу в связи с резким ухудшением эколого-геохимического состояния почв - основного компонента природной среды и негативным воздействием на здоровье людей (Ковда, 1985; Диксон и др., 2000; Орлов, Садовникова, Лозановская, 2002). Особое значение приобрело загрязнение биосферы группой поллютан-тов, получивших общее название «тяжелые металлы» (ТМ). К ним относят более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева с атомными массами свыше 50 а.е.м. Низкие концентрации этих химических элементов (порядка п-10" - п-10" %) необходимы для жизнедеятельности растительных и животных организмов, активно участвуя в биологических процессах в составе биокатализаторов и биорегуляторов (Диксон, Уэбб, 1961). К числу тяжелых металлов относят - хром (Сг), марганец (Мп), железо (Fe), кобальт
5
(Со), никель (Ni), медь (Си), цинк (Zn), галлий (Ga), германий (Ge), молибден (Мо), кадмий (Cd), олово (Sn), сурьму (Sb), теллур (Те), вольфрам (W), ртуть (Hg), таллий (Т1), свинец (РЬ), висмут (Bi) (Assink, 1986).
Факторами, определяющими техногенное накопление тяжелых металлов в почвах, являются: пыль, атмосферные осадки и поливные воды. Кроме того, источником загрязнения биогеоценозов могут служить: внесение в качестве удобрения осадков бытовых сточных вод, вторичное загрязнение вследствие выноса ТМ из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками (Блохин, 1997; Орлов, Садовникова, Лозановская, 2002). Носителем основной массы ТМ в атмосфере являются аэрозоли - твердые частицы, размером до 0,1 мкм и менее, взвешенные в воздухе, которые конденсируют пары воды. Частицы крупнее 10 мкм, попавшие в атмосферу, быстро осаждаются. До 80-90% химических элементов, содержащихся в аэрозолях, связано с частицами размером около 1 мкм. «Время жизни» частиц в атмосфере около 5-7 суток, а наиболее мелких частиц 3-4 недели и более (Аб-рамовский, 1976). Частицы переносятся на значительные расстояния и выпадают из атмосферы неравномерно («эффект пилы») в зависимости от рельефа, типа растительности, движения приземных воздушных масс (Александрова, 1980; Алексеенко, 1990).
Повышенные и высокие концентрации тяжелых металлов вызывают резко негативные функционально-экологические изменения в компонентах природной среды:
• снижение биоразнообразия естественных экосистем и биопродуктивности агроценозов, включая негативные последствия для высших растений, в т.ч. древесной растительности. Замедление роста и развития корневой системы и побегов (симптомы токсикоза). Повышение концентрации крахмала и са-харов, снижение содержания питательных веществ в тканях листьев (физиологические симптомы), уменьшение активности энзимов (биохимические симптомы) (Ильин, 1985 а, 1991; Bahlsberg-Pahlsson, 1989; Феник, Трофимяк, Блюм, 1995; Рябинина, 1997; Чернавская, Плескачева, Рудяк и
6
др., 1999; Каляев, 2002; Копцик, Налбандян, 2002; Янчук, 2002; Пашкевич, Понурова, 2003; Халитов, 2003; Черных, Челтымгашева, Баева, 2003; Ше-мет, Феденко, 2003);
уменьшение видового разнообразия и численности почвенных микроорганизмов и почвенной фауны (особенно беспозвоночных), к функциям которых относятся процессы деструкции. Отмечается негативное влияние на микробные процессы, отвечающие за синтез и активность энзимов, разложение подстилки (связанное с минерализацией азота и углерода), и дыхание почвы, что обусловливает уменьшение биомассы и видового разнообразия (Бабьева, Левин, Решетова, 1980; Умаров, Азиев, 1980; Левин, Гузев, Асеева и др., 1989; Федоров, Шахов, 1996; Колесников, 1998; Колесников, Казе-ев, Вальков, 1999; Лозовицкий, Каленюк, 2002; Груздева, Матвеева, Коваленко, 2003; Убугунов, 2003);
изменение консервативных свойств почв (уменьшение скорости разложения органического вещества, изменение структуры и рН, диспергирование, уплотнение твердой фазы почвы, изменение количественно-качественного состава ППК, изменение химических и агрохимических свойств и др.), что в конечном итоге приведет к частичной или полной потере плодородия (Белякова, Гусейнов, 1984; Важенина, Сорокин, 1987; Гришина, Копцик, Макарова, 1990; Шишов и др., 1991; Водяницкий и др., 1995; Водяницкий, Рогова, 1996; Давыдова, 1996; Белозерцева, 2001; Карандеев, Шульгин, 2001; Рыбалов, 2001; Блохин, Грошев, 2002 а; Макунина, 2002; Переверзев, Свей-струп, Стрелкова, 2002);
уменьшение видового разнообразия и популяционные изменения наземной фауны (Мордкович и др., 1997; Ковальчук, Сатонкина, Тарханова, 2002); ухудшение состояния здоровья населения, потребляющего загрязненную продукцию и воду, а также негативное влияние на состояние здоровья последующих поколений. Ряд элементов (никель, хром, кадмий, свинец) обладает прямыми или косвенными канцерогенными свойствами, а также вызывает аллергические патологии. Избыток тяжелых металлов неблагопри-
7
ятно влияет на все жизненно важные органы человека, а токсическое действие свинца, кадмия и ртути характеризуется кумулятивным эффектом (Voisin, 1959; Ковальский, 1974; Сает, Ревич, 1988; Tomatis L., 1990; Зарид-зе, 1993; Худолей, 1999; Лебедева, 1995; Куксанов, 1999; Комплексная гигиеническая оценка состояния..., 2000; Комплексная гигиеническая оценка опасности..., 2001; Боев, Куксанов, Быстрых, 2002; Куксанов, Баженова, 2002 а, б).
Почвы, являясь связующим звеном компонентов биосферы, поглощают тяжелые металлы, одновременно очищают от них атмо- и гидросферы. При превышении пороговых значений концентраций тяжелых металлов, при которых способность к самоочищению будет потеряна, почвы могут стать источником вторичного загрязнения воздуха, растений, а также поверхностных и фунтовых вод (Плеханова, 2000; Большаков, 2002).
Основу геохимической устойчивости почвенной экосистемы как элемента структуры и функционирования биосферы составляют природные биогеохимические циклы массообмена вещества и энергии (Ильин, 1973; Ковда, 1973, 1981). В регионах с высоким уровнем сельскохозяйственного освоения земель (земли сельскохозяйственного назначения составляют 88%, и в частности пашни 57%) и развитой нефтегазовой и рудодобывающей промышленностью, к которым относится Оренбургская область, происходят необратимые изменения направления и интенсивности природной миграции химических элементов. Биогеохимические циклы круговорота веществ и энергии нарушаются из-за отчуждения сельскохозяйственной продукции и потери органического вещества вследствие длительного экстенсивного ведения сельскохозяйственного производства и нерационального использования земель (высокая доля пашни, распашка склоновых земель и почв легкого механического состава, несоблюдение ресурсосберегающих технологий, бессистемный выпас скота и др.). Современные технологии возделывания сельскохозяйственных культур приводят к дегумификации, переуплотнению, нарушению водно-физических свойств и способствуют развитию эрозии и дефляции (Климентьев, Тихонов, 1994; Руса-