Плодородие почв и их загрязнение тяжелыми металлами

Размещено на http://www.allbest.ru/

МГУ им. М.В. Ломоносова

Системы экологического менеджмента промышленных производств и почвенно-экологический мониторинг импактных зон

Сообщение 1. Плодородие почв и их загрязнение тяжелыми металлами

УДК 631.41

Хомяков Д.М., Жукова А.Д.

Аннотация

Импактная зона завода, производящего фосфорсодержащие минеральные удобрения, попадает в окружность радиусом не более 9 км от объекта (верхняя граница оценки). Почвы данной территории могут подвергаться комплексному загрязнению и содержат кадмий, свинец, стронций и фосфор - в концентрациях достоверно выше условного (локального) и регионального фона.

На территории исследования установлено расположение двух очагов комплексного загрязнения (из 42 пробных площадей), на которых содержание валовых форм кадмия и свинца превышает действующие нормативы (ОДК, ПДК) в верхнем слое почв (0-10 см).

При равном уровне техногенной нагрузки разные типы почв проявляют неодинаковую способность к аккумуляции валовых и подвижных форм потенциальных почвенных загрязнителей.

Выявлена возможность образования геохимического барьера за счёт изменения реакции среды, что корректирует возможное влияние опасных загрязнителей. При оценке состояния почвенного покрова и прогнозирования динамики его изменения необходимо учитывать влияние выбросов соседних заводов производственного кластера.

Ключевые слова: импактная зона, загрязнение почв, геохимический барьер, нейтрализация выбросов, фосфорсодержащие минеральные удобрения

Введение

Федеральным законом от 10.01.2002 N 7-ФЗ (ред. от 03.07.2016) «Об охране окружающей среды» (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.03.2017) регламентируется оценка степени воздействия промышленных производств, в основном, посредством измерения объемов выбросов (сбросов) и концентрации загрязняющих веществ в отходах и природных средах. Эти критерии учитываются при выявлении наилучших доступных технологий (НДТ) и формировании экологической политики корпораций в рамках системы экологического менеджмента (управления), осуществлении государственного экологического и производственного контроля.

Производство фосфорсодержащих минеральных удобрений (ФМУ) - динамично развивающаяся отрасль химической промышленности и важная часть внутреннего российского и мирового рынка. Отечественные компании, осуществляющие «ответственную экологическую политику», занимают более высокие и устойчивые позиции, чем компании, пренебрегающие своей «экологической» репутацией. Функционирование систем экологического управления, реализация программ постоянного уменьшения воздействия на окружающую среду, оценка ее состояния способствуют росту капитализации, делают предприятия более привлекательными для инвесторов, повышают конкурентоспособность продукции и спрос на неё.

По оценкам экспертов, комплексные исследования почвенного покрова импактных территорий были проведены и опубликованы только для 14 из 2000 крупнейших заводов, производящих фосфорсодержащие минеральные удобрения (ЗП ФМУ) по всему миру [1]. Имеющихся данных явно недостаточно. Они нужны не только для корректировки функционирования систем экологического менеджмента, но и при разработке региональных схем устойчивого развития для зон комплексной техногенной нагрузки, определении в них квот на выбросы в атмосферу, при формировании справочников НДТ для химической промышленности, обосновании списка и численных значений показателей экологических нормативов качества природных объектов. почва фосфорсодержащий загрязнитель

Cведения о результатах осуществления производственного экологического контроля на предприятиях должны включать документированную информацию: о технологических процессах, технологиях, оборудовании для производства продукции (товара), о выполненных работах, об оказанных услугах, применяемых топливе, сырье и материалах, образовании отходов производства и потребления; о фактических объеме или массе выбросов и сбросов загрязняющих веществ, об уровнях физического воздействия и методиках (методах) измерений; об обращении с отходами производства и потребления; о состоянии окружающей среды, местах отбора проб, методиках (методах) измерений.

Для успешного решения вышеперечисленных задач необходимо собрать и проанализировать массив данных о степени опасности выбросов и их фактическом влиянии на почву и сопредельные среды. Это можно осуществить, имея систему почвенно-экологического мониторинга импактных зон предприятий с учетом комплексного и мультипликативного воздействия индустриальных производств территориального промышленного кластера.

Экологическая ситуация в импактных зонах действующих ЗП ФМУ в России может быть классифицирована как умеренно опасная, опасная и имеющая тенденцию к ухудшению [2-4]. Особого внимания заслуживает оценка потенциального и реального воздействия на компоненты окружающей среды объектов размещения отходов (ОРО) данных производств [5-8].

Учёт возможного взаимодействия и транслокации поллютантов необходим для определения фактической техногенной нагрузки [9]. Особенности взаимовлияния газопылевых промышленных выбросов на состояние почвенного покрова территории Московско-Окского промышленного кластера до настоящего времени системно не исследовались. Единичны такие данные и для других объектов.

Цель исследования - изучение и комплексная оценка состояния почвенного покрова импактного региона ЗП ФМУ ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» (ОАО «ВМУ»).

Задачи исследования

1. Определить территорию импактного воздействия ЗП ФМУ и установить степень загрязнения почвенного покрова специфичными поллютантами.

2. Оценить параметры потенциального плодородия почвы и содержание различных форм кадмия, свинца, цинка, меди, а также валовой формы стабильных изотопов стронция, значение соотношения валовых форм кальция и стронция по градиентам техногенной нагрузки.

3. Выявить возможную взаимную нейтрализацию выбросов различных производств и ее проявление в почвах, характерных для Московско-Окского промышленного кластера.

Объекты и методы исследования

Город Воскресенск находится на юго-востоке Московской области в 88 км от города Москвы. Район исследования относится к Мещерской низменности, расположенной между южным склоном Клинско-Дмитровской возвышенности и долиной р. Москвы. Четвертичные отложения представлены песками, супесями и суглинками водно-ледникового происхождения. Климат района исследования - умеренный континентальный, характеризуется теплым летом и умеренно холодной зимой [10].

Воскресенский район относится к провинции дерново-подзолистых почв. По степени освоенности территория представляет собой природно-техногенную систему. Поверхностные воды частично загрязнены соединениями стронция и фтора [11]. В Воскресенском районе 68,3 % земель были признаны непригодными для использования под пашню, 42,3% - непригодными под пастбища [12].

В соответствии с целью исследования нами были отобраны и изучены образцы из верхнего слоя (0-10 см) почв трех типов [13]:

1) агродерново-подзолистые среднепахотные мало гумусированные среднесуглинистые на суглинках водно-ледникового происхождения (Адп);

2) дерново-подзолистые типичные маломощные глубокоосветленные средне гумусированные среднесуглинистые на суглинках водно-ледникового происхождения (Дп);

3) аллювиальные серогумусовые поверхностно глееватые средне гумусированные тяжелосуглинистые почвы на аллювиальных отложениях (Ал).

Характеристика предприятий промышленного кластера

ЗП ФМУ располагает мощностями по производству 750 тыс. тонн моноаммонийфосфата и диаммонийфосфата, 200 тыс. тонн аммиака, 300 тыс. тонн фосфорной кислоты и 1100 тыс. тонн серной кислоты в год [14]. По состоянию на 2013 г. лимит выбросов в атмосферу для химкомбината составлял немногим более 5 тыс. тонн в год. В 2012 г. реальное фактическое количество выбросов составило около 2,2 тыс. тонн.

Ежегодно в процессе производства образуется до 1,5-2,0 млн. тонн фосфогипса. На территории исследования находятся два объекта размещения отходов (ОРО) (фосфогипсовых отвала) - полигоны 1 и 2, которые являются вторичными источниками загрязнения почвенного покрова.

Полигон 1 («ОРО 1»), находящийся у восточной границы предприятия на берегу р. Москвы, был в эксплуатации с 1968 по 1997 гг., после чего была проведена его лесобиологическая рекультивация. Его площадь 38 га, высота 60 м, углы наклона откосов 25-34 градусов. Отвал сложен полностью из дигидрата сульфата кальция [15, 16].

Действующий полигон 2 («ОРО 2») находится в 4 км к северо-западу от предприятия на месте отработанного карьера. Отвал в эксплуатации с 1976 г. по настоящее время. Объемы содержащихся там отходов по состоянию на 2011 г. оценивались в 22 млн. куб. м [8]. Площадь полигона 2 около 40 га, высота 80 м (по состоянию на 2013 г.), углы наклона откосов 25-38 градусов. «ОРО 2» имеет неоднородный состав: основание до высоты 30 м сложено из дигидрата гипса, далее до вершины - из полугидрата.

Фосфогипс ЗП ФМУ по гранулометрическому составу близок к супеси или пылеватому песку. Фосфогипс имеет состав (% по массе): СaSO₄Ч2H₂O - 90,1; Са₅(Р0₄)₃F - 0,11; SrSO₄ - 4,03; АlРO₄ - 0,22; Аl(Н₂Р0₄)₃ - 0,007, Fe(H₂P0₄)₃ - 0,006; FePO₄ - 0,3; (Na,K)AlSiO₄ - 0,08; K₂SiF₆ - 0,008; H₂O_гигр. - 4,7 [7].

Кроме ЗП ФМУ, на территории исследования находятся цементный завод (ЦЗ) и строительный комбинат. Пыль ЦЗ считается одним из самых экологически опасных строительных отходов [17]. Она представляет собой тонкодисперсный порошок, содержащий не менее 60% CaCO₃ по массе и тяжелые металлы в концентрациях до 31 мг Cd / кг, до 836 мг Pb / кг, до 300 мг Zn / кг и до 128 мг Cu / кг [18]. Эмиссия, рассеивание и выпадение цементной пыли на подстилающую поверхность может способствовать накоплению вышеперечисленных тяжелых металлов и подщелачиванию верхнего слоя почвенного покрова [19, 20].

Методы отбора образцов и анализа почвы

Отбор образцов производился с 4 по 17 июля 2012 г. на территории предполагаемого импактного воздействия ОАО «Воскресенские минеральные удобрения». Химические показатели определялись в период с октября 2012 по май 2013 г. в ОАО «Центр сертификации и экологического мониторинга «Московский» и на почвенном стационаре МГУ имени М.В. Ломоносова. При обсуждении результатов химического анализа мы будем рассматривать группы веществ, содержащих некоторый элемент, с учетом способа их выделения из почвы, дальнейшего определения «условности» формы пересчета и представления данных, согласно аккредитованным методикам (табл. 1).

Таблица 1. Показатели химического состояния почвы и методы определения

Согласно документу «Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами» (утверждены Минздравом СССР 13.03.1987 N 4266-87, с изменениями от 07.02.1999) основными загрязнителями, попадающими в почву и сопредельные среды при производстве ФМУ, являются оксиды азота и серы, аммиак, стронций, цинк и фтор, а сырье может содержать примеси кадмия, меди и свинца (в данной части цитируемый выше источник не утратил силы в настоящее время).

При проведении экологических оценок всегда возникает проблема адекватного выбора значений контрольных или фоновых показателей. Часть из них приведена или была определена в нормативных документах, часть является результатом научных полевых исследований и экспериментов, что постоянно приводит к их уточнению или корректировке. Разрешить имеющиеся противоречия можно, выбрав показатели «условного фона» для конкретного объекта изучения. Полученные и в дальнейшем используемые нами численные значения показателей содержания потенциальных поллютантов на условно фоновой территории оказываются в 1,8-13,7 раза ниже существующих в различных документах (табл. 3).

Таблица 3. Региональные фоновые значения содержания ТМ (мг/кг) в почвах Москвы и Московской области и условный фон, слой 0-10 см

В результате исследования достоверную корреляцию пространственного распределения содержания потенциальных почвенных поллютантов со среднегодовой розой ветров выявить не удалось. Это может быть связано с физико-химическими свойствами разных типов и подтипов почв, различными системами земледелия и уровнем интенсификации сельского хозяйства на Адп почвах.

Высокие значения рассчитанного коэффициента вариации (К вар) содержания подвижных (0,31-0,90) и валовых (0,30-1,56) форм может косвенно свидетельствовать о поступлении тяжелых металлов (ТМ) в почву в результате процессов техногенеза (табл. 4).

К вар валовых форм кадмия и свинца достоверно больше К вар их подвижных форм: в 1,9 и в 1,6 раза, соответственно, что говорит о выраженной способности иммобилизации соединений этих элементов, учитывая высокое содержания в почвах кальция. Согласно ГН 2.1.7.2511-09, цинк и медь в верхнем 0-10 см слое почвенного покрова находится в пределах нормы (ОДК). Наименьшие значения К вар распределения цинка и меди характерны для Адп почв сельскохозяйственных угодий (0,30-0,61). Эти элементы вовлечены в агробиологический круговорот. Адп и Дп почвы можно классифицировать как почвы, средне обеспеченные подвижной формой цинка и очень низко обеспеченные подвижной формой меди (ОСТ 10 294-2002; ОСТ 10 297-2002).

Попытка объединения валовых форм ТМ в группы, схожие по своему распределению, показала, что наиболее близки между собой К вар кадмия и свинца. Они несколько различаются по типам почв, но по всей совокупности имеют значения: К вар Cd=1,65; К вар Pb=1,40. Основным источником поступления обоих элементов в почву является фосфогипсовая пыль. Для остальных ТМ данную тенденцию выявить не удалось. Основной гипотезой остается наличие нескольких различных источников загрязнения на территории объекта исследования, перекрытие (наложение) зон рассеивания и выпадение поллютантов на подстилающую поверхность.

На расстоянии 4,0 км от территории ЗП ФМУ и 0,5 км от «ОРО 2» (ПП 1.40) были зафиксированы превышения ОДК в почве для кадмия (4,0 мг Cd / кг почвы, 400% ОДК), свинца (99,4 мг Pb / кг почвы, 153% ОДК). При удалении от «ОРО 2» на 1,0 км (ПП 1.35) в почве в 1,5 раза уменьшилась концентрация кадмия (2,7 мг Cd / кг почвы, 270% ОДК) и в 1,3 раза уменьшилась концентрация свинца (77,8мг Pb / кг почвы, 120% ОДК).

Максимальное содержание валовых форм стронция (212 мг/кг) также относится к ПП 1.40, расположенной в 0,5 км от фосфогипсового отвала «ОРО 2». Для оценки содержания валовых форм ТМ использовались ОДК для кислых и нейтральных суглинистых почв (согласно ГН 2.1.7.2511-09). В таблице 4 приведены значения ОДК для кислых почв, т.к. все случаи её превышения приурочены к ПП с pH сол < 5,5. Превышений ОДК на нейтральных почвах не обнаружено.

Таблица 4. Содержание ТМ (мг/кг), слой 0-10 см

Выводы

1. Изученный почвенный покров Московско-Окского промышленного кластера подвергается комплексному загрязнению и может содержать потенциальные поллютанты в концентрациях достоверно выше локального и регионального фона, а также существующих значений ПДК (ОДК). Из группы металлов - это кадмий, свинец и стронций. На территории выявлен интегральный синергетический эффект воздействия многих источников загрязнения.

2. С расстояния от 5,0 до 9,0 км от ОАО «ВМУ» содержание валовых и подвижных форм кадмия, свинца, цинка, меди, валовой стабильной формы стронция в верхнем 0-10 см слое почв постепенно приближается к значению показателей условного фона. Окружность с радиусом в 9 км от объекта - верхняя граница оценки его импактной зоны.

3. Почвенный покров территории неоднороден, представлен различными типами почв: дерново-подзолистыми, агродерново-подзолистыми и аллювиальными. Все они характеризуются средними и высокими значениями показателей потенциального плодородия - содержанием подвижных соединений фосфора и калия, обменных (подвижных) кальция и магния, водорастворимых нитратов, органического углерода, обладают благоприятными для роста и развития растений физико-химическими свойствами.

4. Повышенное содержание кальция в почвах: подвижного - 0,9-11,7 г/кг и валового - 2,1-31,7 г/кг свидетельствует о наличии существенной приходной статьи в его территориальном балансе. Это является фактором формирования в агроценозах и ландшафтах локальных геохимических барьеров, снижения подвижности и миграционной способности некоторых биофильных элементов и тяжелых металлов.

Список использованных источников

1. Воробейчик Е.Л., Козлов М.В. Воздействие точечных источников эмиссии поллютантов на наземные экосистемы: методология исследований, экспериментальные схемы, распространенные ошибки // Экология. - 2012, №. 2. - С. 83-91.

2. Очерет Н.П., Лиськова И.П., Бородкина О.В. Влияние антропогенных факторов на экологическое состояние почв и качество окружающей среды республики Адыгея // Современные наукоемкие технологии. - 2007, №. 4. - С. 31-35.

3. Вахрушева О.М., Канева А.В. Латеральное распределение тяжелых металлов и радионуклидов в почвах поймы р. Вятка вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината // Экология и геологические изменения в окружающей среде северных регионов: Материалы и доклады Всероссийской конференции с международным участием (24-28 сентября 2012 года). - Архангельск. - 2012. - С. 40-44.

4. Петренко Д.В. Влияние производства фосфорных удобрений на содержание стронция в ландшафтах. Дис. … канд. биол. наук: 03.02.08. - М. - 2014. - 159 с.

5. Любимова И.Н., Борисочкина Т.И. Влияние потенциально-опасных химических элементов, содержащихся в фосфогипсе, на окружающую среду. - М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева РАСХН. - 2007. - 46 с.

6. Самонов А.Е., Ваньшин Ю.В. О некоторых проблемах, связанных с переработкой апатитов // Южно-российский вестник геологии, географии и глобальной энергии - 2007, № 2. - С. 7-9.

7. Каниськин М.А Экологическая оценка почв и почвогрунтов, подверженных воздействию фосфогипса. Дис. … канд. биол. наук : 03.02.08. - М. - 2011. - 130 с.

8. Ивочкина М.А. Изучение формирования свойств техногенных отложений в отвалах фосфогипса при переработке исходного сырья различных месторождений [Электронный ресурс] // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона». - 2013, № 1. Режим доступа: http://www.ivdon.ru/uploads/article/doc/IVD_54_ivochkina.doc_1535.doc.

9. Битюкова В.Р. Сафронов С.Г. Методы оценки территориальной дифференциации экологической ситуации в городах и регионах России // Экология и промышленность России. - 2014, №3. - С. 48-53.

10. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2015 году». - М.: Минприроды России; НИА-Природа. - 2016. - 639 с.

11. Кузьмина Э.М. Стоматологическая заболеваемость населения России. - М.: Медицина. - 1999. - 227 с.

12. Почвы Московской области и их использование / Коллектив авторов. В 2-х томах. Т.1. - М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева РАСХН. - 2002. - 500 с.

13. Шишов Л.Л., Тонконогов В.Д., Лебедева И.И., Герасимова М.И. Классификация и диагностика почв России. - Смоленск: Ойкумена. - 2004. - 342 с.

14. Официальный сайт ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» [Электронный ресурс] // Воскресенск: 2011-2017. Заглавие с экрана. Режим доступа: http//www.vmu.ru.

15. Мартынюк А.А., Кураев В.Н. Использование органических отходов в лесном хозяйстве. - Пушкино: ВНИИЛМ - 2012. - 126 с.

16. Способ облесения отвалов промышленных отходов: пат. 2186474 / А. А. Мартынюк, Л. Л. Коженков, В. Н. Кураев. - М.: Гос. Реестр изобретений РФ. - 2002.

17. Корзухина Л.Б. Топкинский цементный завод, 45 лет. - Кемерово: ООО «Компания Лико». - 2010. - 64 с.

18. Коугия М.В. Цементное производство и тяжёлые металлы // Цемент. - 2000, №3. - С. 30-33.

19. Пасика К.А. Исследование влияния выбросов цементной пыли на рост и развитие растений // Успехи современного естествознания. - 2004, №. 11. - С. 45-46.

20. Джугарян О.А., Торосян Н.С. Фитоиндикация и биомониторинг загрязнений промышленных территорий Армении // Экология речных бассейнов: Труды 6-й Междунар. науч.-практ. конф. / Под общ. ред. проф. Т.А. Трифоновой. Владим. гос. ун-т. им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. - Владимир. - 2011. - С. 220-223.

21. Научные основы применения средств химизации при возделывании озимой пшеницы на дерново-подзолистых почвах Центрального Нечерноземья России / Сычев В.Г., Алиев А.М., Кирпичников Н.А., Ваулина Г.И., Шафран С.А., Самойлов Л.Н., Кирсанов Г.А. - М.: ВНИИА. - 2014. - 44 с.

22. Аристархов А.Н. Оптимизация питания растений и применения удобрений в агроэкосистемах. - М.:ЦИНАО. - 2000. - 524 с.

23. Оценка почв и грунтов в ходе проведения инженерно-экологических изысканий для строительства. Основные термины и определения. - М: НИиПи экологии города. - 2001. - 33 с.

24. Волгин Д.А. Фоновый уровень и содержание тяжелых металлов в почвенном покрове Московской области // Вестник МГОУ. Естественные науки. - 2009, №. 3. - С. 90-95.

25. Ковальский В.В. Геохимическая экология. - М.: Наука. - 1974. - 299 с.

26. Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия / Н.Г. Рыбальский, В.Н. Кузьмич, Н.П. Морозов. - М.: МПР РФ. - 1992. - 50 с.

Цитирование:

Хомяков Д.М., Жукова А.Д. Системы экологического менеджмента промышленных производств и почвенно-экологический мониторинг импактных зон. Сообщение 1. Плодородие почв и их загрязнение тяжелыми металлами // АгроЭкоИнфо. - 2017, №2. http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2017/2/st_208.doc.

Размещено на Allbest.ru