Закономерности распределения некоторых тяжелых металлов в агроландшафтах Западного Предкавказья

Проблема загрязнения земель к концу 20-го столетия во всем мире стала настолько актуальной, что для ее решения выделяются громадные финансовые средства, издаются законодательные акты, регламентирующие нормы хозяйственной деятельности, поведения людей в определенных условиях окружающей среды и направленных как на предупреждение возникновения очагов загрязнения химическими элементами и веществами, так и на ликвидацию или нейтрализацию образовавшихся площадей загрязнения и их источников.

Проблема химического загрязнения природной среды носит глобальный характер, а ее актуальность постоянно возрастает. Известно пагубное влияние промышленных выбросов в Европе на растительный и животный мир. В Швеции и Норвегии выпадают дожди, содержащие серную кислоту, образующуюся в результате взаимодействия выбросов промышленных предприятий Германии и Франции с атмосферной влагой. Глобальное распространение получило загрязнение земель выхлопными газами автотранспорта (6).

Интенсификация и химизация сельскохозяйственного производства привела к тому, что эта отрасль экономики стала одним из крупнейших источников загрязнения почв, вод и атмосферы (101). Здесь следует выделить два вида загрязнения:

— загрязнение органическими ядохимикатами и продуктами их разложения в почве,.

— загрязнение тяжелыми токсичными металлами и радиоактивными элементами.

К тяжелым металлам (ТМ), по мнению Ю. В. Алексеева (6) следует относить металлы с относительной атомной массой более 40.

В проекте Закона Российской Федерации «Об охране почв» дается следующее определение термина «загрязнение почв» — это «процессы поступления в почвы и накопления в них вредных веществ и продуктов их разложения, а также оседающей пыли выбросов в атмосферу, не содержащей вредных веществ, но ухудшающей свойства и состояние почвприводят к деградации почв, могут оказывать или оказывают вредные воздействия почв на жизнь, здоровье и благополучие населения, окружающую среду и природные ресурсы».

В данной работе рассматриваются проблемы химического загрязнения почв, обусловленные техногенными факторами. Учитывая аграрную специализацию Краснодарского края, основное внимание уделяется загрязнению почв в агроландшафтах.

Почва в отношение аэрогенного потока техногенных веществ является мощным фильтром, очищающим биосферу, геохимическим барьером, как правило, прочно фиксирующим загрязнители в результате процессов трансформации их соединений и существенно ослабляющим поступление их через корневую систему в надземную растительную массу и миграцию в грунтовые воды. В то же время в почве происходит дифференциация форм загрязнителей и перераспределение их с внутрипочвенным и поверхностным стоком с образованием в подчиненных ландшафтах вторичных техногенных аномалий (68).

Краснодарский край относится к регионам интенсивного сельскохозяйственного производства, где применение средств химизации было и есть относительно высоким. Поэтому опасность загрязнения тяжелыми металлами пахотных земель здесь и в настоящее время и в будущем вполне реальна.

Возрастающие антропогенные нагрузки на окружающую природную среду, определяют охрану земель Российской Федерации и организацию их рационального использования, как одну из главных стратегических целей государства.

Интенсивная обработка почвы, отчуждение питательных веществ с урожаями, загрязнение средствами химизации и отходами животноводства, негативные последствия орошения и осушения, дегумификация и эрозия почв — важнейшие факторы, непосредственно влияющие на состояние земель. В сочетании с воздействием промышленности и транспорта на биосферу и ее компоненты перечисленные факторы приводят к разрушению природных ландшафтов, замене устойчивых экосистем на агроэкосистемы, а также к изменению функционирования сохранившихся экосистем.

Воздействие сельскохозяйственного производства на биосферу привело к тому, что ухудшение экологической обстановки крайне отрицательно сказывается на состояние самого производства. Снижается продуктивность угодий, ухудшается качество производимой сельскохозяйственной продукции.

Всё это определяет необходимость организации систематических комплексных наблюдений за состоянием окружающей среды, её главного компонента — земли.

Вопросы комплексного изучения земель требуют единого государственного подхода, который должен осуществляться на основе систематических, всесторонних наблюдений — мониторинга земель.

Для того, чтобы не допустить дальнейшего быстрого ухудшения состояния земель в условиях быстро изменяющейся социально-экономической ситуации, на территории края срочно требуется развёртывание системы наблюдений и контроля за земельными ресурсами, которая позволила бы оперативно фиксировать различные изменения, прогнозировать и предупреждать негативные последствия.

В Российской Федерации в целом, и в Краснодарском крае, в частности, проблеме загрязнения почв до 80-х годов прошлого столетия уделялось незначительное внимание. Занимались ее изучением лишь специализированные академические и некоторые прикладные научно-исследовательские институты. Не уделялось этой проблеме внимания и со стороны законодательной власти государства. Это объяснялось идеологической установкой о преимуществах социалистического сельского хозяйства.

Лишь с организацией в конце 80-х начале 90-х годов государственных органов по охране окружающей среды и регулированию земельных отношений, в лице Госкомприроды РФ и Госкомзема РФ, загрязнению земель со стороны государства стало уделяться должное внимание.

Однако следует отметить, что многочисленные научные исследования по вопросам загрязнения почв, проведенные в эти годы, в большинстве своем имеют познавательное, научное значение, а законодательные акты федеральных и краевых органов власти носят декларативный характер.

Практических рекомендаций для сокращения объемов загрязнения почв, реабилитации загрязненных площадей, а также нормативно-правовых актов с конкретными мерами ответственности по указанной проблеме явно недостаточно. Те же из них, которые приняты, не реализуются из-за сложной экономической ситуации в стране.

В стране и крае оказывается недостаточно внимания к этой важной проблеме для жизнедеятельности населения и организации сельскохозяйственного производства, которое в абсолютном большинстве хозяйств края ведется по старым схемам и системам земледелия без природоохранных мероприятий, адекватных экологическим условиям.

В Краснодарском крае значительные открытые исследования по проблеме накопления в почве ТМ начались в 90-е годы прошлого века. До этого периода исследования носили, в основном, закрытый характер и были направлены на изучение аварийных ситуаций или проблем, связанных с безопасностью страны.

Существенный вклад в изучение проблемы ТМ внесли ученые Всероссийского института биологической защиты растений (ВНИИБЗР), бывший Всесоюзный НИИ фитопаталогии, ученые Кубанского государственного аграрного университета и Кубанского государственного университета. Широкие исследования накопления ТМ в почвах садоводческих и виноградных ландшафтов проведены в 90-е годы в Северо-Кавказском ПИИ садоводства и виноградарства.

Исследования природных и техногенных аномалий содержания тяжелых металлов (ТМ) и фтора выполнены ПО «Кубаньгеология» и научно-производственным геологическим центром «Геоэкология Кубани». Ими составлена карта загрязнения химическими элементами территории Краснодарского края. Исследование и картирование на территории края геохимических природных и техногенных ландшафтов выполнено учеными и сотрудниками НИИ геохимии биосферы Ростовского университета. Изучение загрязнения отдельных элементов агроландшафтов проводилось сотрудниками института «КубаньНИИгипрозем», научно-исследовательского общества «Гея-НИИ», проектно-изыскательского центра агрохимической службы «Краснодарский», Всероссийского научно-исследовательского института риса, Всероссийского научно-исследовательского института табака и махорки. С начала 21-го века крупномасштабные исследования данной проблемы в агроландшафтах развернуты в институте Прикладной экологии при Кубанском государственном аграрном университете.

В соответствии с постановлением Правительства РФ от 15.07.1992 № 491 «О мониторинге земель» в Краснодарском крае была сформирована концепция почвенно-экологического мониторинга, разработана краевая программа данного мониторинга, определены организации-исполнители работ. Разработал указанную программу и выступил ее государственным заказчиком комитет по земельным ресурсам и землеустройству Краснодарского края. Автор, как главный специалист данного учреждения, непосредственно был разработчиком программы мониторинга и организовывал её осуществление в крае через научно-исследовательские и проектно-изыскательские организации. А также лично осуществлял анализ и обобщение данных мониторинга. Кроме того, автор лично в рамках программы мониторинга осуществлял экспедиционные изучения и стационарные исследования на специальных локальных полигонах мониторинга.

По результатам мониторинга ежегодно администрации края представлялся доклад о состоянии земельных ресурсов. В Кубанском государственном аграрном университете выпущено два издания результатов мониторинга для широкого ознакомления с ними специалистов и экологической общественности (Агроэкологический мониторинг в земледелии Краснодарского края, 2000, 2002).

Актуальность работы.

Несмотря на большое количество информации, исследования по проблеме загрязнения земель ТМ оставались разрозненными. Необходимо было провести обобщение полученных данных и продолжить исследования причин и механизмов накопления ТМ в почвах сельскохозяйственных угодий края.

Данная работа направлена на выяснение размеров, закономерностей распределения и уточнение причин загрязнения земель сельскохозяйственного назначения Кубани тяжелыми металлами. Работа выполнялась в рамках республиканской научной программы «Плодородие почв» (п. 01.02) и республиканской программы «Мониторинг земель».

Положения, выносимые на защиту.

1. Определение закономерностей миграции ТМ по элементам каскадной ландшафтно-геохимической системы Краснодарского края и локализации их на границах геохимических барьеров.

2. Закономерности миграции ТМ (свинец, кадмий, медь, цинк) в различных агроландшафтах.

3. Характеристика содержания ТМ (свинец, кадмий, медь, цинк) в обыкновенных и выщелоченных черноземах края.

4. Взаимосвязь содержания в почвах валового содержания ТМ (свинец, кадмий, медь, цинк) и их подвижных форм.

5. Зависимость содержания ТМ (свинец, кадмий, медь, цинк) в растениях озимой пшеницы от их содержания в почве.

Научная новизна заключается в том, что впервые в агроландшафтах Краснодарского края с интенсивным земледелием проведен мониторинг содержания ТМ в почвах различных агроландшафтов как на уровне края в целом, так и локальный мониторинг на отдельных полигонахопределены основные закономерности накопления, локализации ТМ на территории края и по отдельным агроландшафтам.

Практическая ценность работы заключается в том, что характеристики почвенного покрова края в отношении загрязнения его тяжелыми металлами, полученные по результатам работ, позволят приблизиться к практическому решению проблемы загрязнения земель, являющейся одной из актуальнейших задач для народного хозяйства Кубани, его аграрного сектора экономики, а также для здоровья и благополучия ее населения.

На основе представленных материалов появляется реальная возможность пересмотреть специализацию сельскохозяйственного производства с учетом загрязнения почвенного покрова ТМ и уточнить зоны получения экологически чистой продукции.

Результаты данной работы целесообразно использовать:

1. При разработке краевых целевых программ по:

— регулированию земельных отношений,.

— управлению и распоряжению земельными ресурсами,.

— территориальному планированию,.

— организации сельскохозяйственного производства,.

— прекращению и снижению темпов роста процессов деградации сельскохозяйственных угодий,.

— повышению плодородия почв,.

— экологизации сельскохозяйственного производства,.

— разработке систем обработки удобрения сельскохозяйственных культур,.

— разработке систем обработки пашни.

2. При разработке краевых и общероссийских нормативных документов по установлению фоновых и ориентировочно допустимых концентраций содержания тяжелых металлов в почвах.

3. При формировании образовательных программ, курсов по повышению квалификации профессиональных кадров различных отраслей экономики края, программ и изданий, направленных на повышение экологических знаний населения.

4. Принятия управленческих решений органов государственной власти и муниципальных образований края в области регулирования земельных отношений и охраны окружающей среды.

Апробация результатов исследования проводилась в виде докладов в г. Пущино Московской обл. на международном симпозиуме «Тяжелые металлы в окружающей среде» (1996г.), на 2 международном совещании «Геохимия биосферы» в г. Новороссийске (1999г.), на конференции в г. Санкт-Петербурге «Экология — 2000» (2000г.), на конференциях в г. Краснодаре (1999,2002 г. г.), посвященных памяти проф. С. Ф. Неговеловав г. Прохоровке Белгородской обл. на научно-практической конференции «Русский чернозем» (2001г.) — в г. Краснодаре на научной конференции КГАУ (2002г.), в г. Краснодаре на заседании краевого отделения ВОП в 2004 году.

1.Современное состояние вопроса.

Выводы.

1. Сплошное обследование почв края на содержание токсичных тяжелых металлов и составленная на этой основе карта-схема распространения земель, загрязненных ТМ на территории края показала следующее.

1.1 Основная территория как естественных, так и техногенных ландшафтов в крае содержит ТМ в количестве, не превышающем установленные допустимые концентрации.

1.2 Выделяются контуры с повышенным (аномальным) содержанием ТМ. По генезису их можно разделить на аномалии естественные и антропогенные. Первые приурочены к горным ландшафтам со сложным геологическим строением и характеризующихся сложным множественным характером. Вторые относятся, в основном, к аграрным ландшафтам и характеризуются повышенным содержанием ТМ, используемых в сельском хозяйстве: медь, цинк, свинец.

1.3 Аграрное преобразование ландшафтов и привнесение в почву ТМ приводит к увеличению колебаний содержания ТМ и пестроты почвенного покрова по экологическим показателям.

1.4 По степени усиления загрязнения почвы ТМ можно составить следующий ряд агроландшафтов: пастбищные горные < пастбищные лугово-степные < полеводческие степные < виноградарские < садоводческие < мелиоративные рисоводческие < чайные плантации.

1.5 Наибольшее распространение получили следующие ТМ: 1-й класс опасности — свинец, цинк- 2-й класс опасности — медь- 3-й класс опасностимарганец.

1.6 Несмотря на нарушенность в агроланшафтах естественных потоков вещества, локализация зон аномальных концентраций ТМ подчиняется, в целом, закономерностям геохимической миграции вещества. В крае четко выделяются элювиальные и трансэлювиальные ландшафты, практически с отсутствием аномалий, и аккумулятивные с накоплением ТМ. Выделяются также зоны геохимических барьеров. Однако локализация ряда аномалий в агроландшафтах объясняется с позиций промышленной деятельности, добычи полезных ископаемых и работы транспорта.

1.7 Выделено три зоны по степени загрязнения ТМ. К наиболее неблагоприятным отнесены территории южнее г. Краснодара, севернее г. Анапы, между г. Крымском и ст. Гривенской. Ко второй зоне отнесены участки между г. Тимашевском, ст. Каневской и Челбасскойучастки в районе г. Ха-дыженска (Нефтегорск, ст. Тверская) — в районе г. Белореченска, Майкопа, Апшеронска, а также в районе пос. Псебай — ст. Баговская. К третьей зонечистой и условно чистой отнесена остальная часть края.

2. Исследования на полигонах показали, что загрязнение почвы ТМ имеет импактный характер. Значительной миграции ТМ из зон их локализации в неорошаемых агроландшафтах не установлено. Это объясняется большой сорбционной емкостью большинства почв края и их способностью закреплять ТМ в неподвижные соединения. Существенное распространение ТМ от участка загрязнения наблюдается в случае водной эрозии. В этом случае выделяются локальные элювиальные, транзитные зоны и зоны аккумуляции.

3. На условно чистых и чистых пахотных землях степных агроланд-шафтов валовое содержание свинца в черноземах обыкновенных составляет, в среднем, 30,2 мг/кг, кадмия — 1,98 мг/кг, меди — 28,2мг/кг и цинка 76,0 мг/кг. При этом вариация этих значений достигает 50% (медь), что указывает на техногенный привнос этих элементов. В черноземах выщелоченных валовое содержание этих элементов несколько ниже: свинца — 25,9 мг/кг, кадмия — 1,74 мг/кг, меди — 22,7 мг/кг, цинка — 72,2 мг/кг. Однако большое варьирование этих данных позволяет утверждать о достоверной разнице только по свинцу и кадмию.

4. Доля подвижных, извлекаемых ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8 ТМ в обыкновенных черноземах колеблется от 11,8% (свинец) до 1,5% (медь). На выщелоченных черноземах закономерность та же, что говорит об общих чертах подвижности ТМ в черноземах.

5. Положительная корреляционная связь содержания подвижных форм ТМ от валового его количества слабая, что связано с большой вариацией данных.

6. В агроландшафтах с обыкновенными черноземами обнаруживается слабая отрицательная обратная связь урожайности озимой пшеницы с валовым содержанием свинца, кадмия и меди. Связи с содержанием цинка не обнаруживается.

7. В более увлажненных агроландшафтах с выщелоченными черноземами обнаружена слабая отрицательная связь урожая озимой пшеницы с общим содержанием кадмия, меди и цинка. Связи урожая со свинцом не установлено.

8. Связь урожая озимой пшеницы с содержанием подвижных форм слабая или практически отсутствует, что согласуется с выводом других авторов, утверждающих, что при содержании ТМ в почвах, не превышающем ПДК, связь содержания ТМ в почве и растений слабая или отсутствует полностью.

9. Обнаруживается слабая обратная связь содержания свинца и кадмия в зерне озимой пшеницы от его валового содержания в обыкновенном черноземе. Для цинка обнаружена слабая положительная связь. Для медисвязь отсутствует. В выщелоченном черноземе связь содержания ТМ в зерне пшеницы с его общим количеством в почве отсутствует.

10. Связь между содержанием ТМ в зерне и содержанием его подвижных форм отсутствует.

11. Обнаружено, что в ряде случаев содержание ТМ в зерне превышает ПДК в 1,5−2 раза при допустимом уровне их содержания в почве. По-видимому, возможно попадание этих элементов непосредственно на растения (выхлопные газы автотранспорта, пылевые переносы, осадки).