Экологическая оценка техногенно загрязненных почв урбанизированных территорий и промышленных зон г. Нижнего Новгорода (стр. 1 )

На правах рукописи

ДАБАХОВ МАКСИМ ВЛАДИМИРОВИЧ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

ТЕХНОГЕННО ЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ

УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗОН

г. НИЖНЕГО НОВГОРОДА

Специальность 03.02.08 – Экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Москва, 2012

Работа выполнена на кафедре агрохимии и агроэкологии

ФГБОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный консультант:	доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Официальные оппоненты:	доктор сельскохозяйственных наук, профессор доктор биологических наук, профессор доктор биологических наук, профессор
Ведущая организация:	ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
Защита состоится «14» марта 2012 г. в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете – МСХА имени Москва, .
Текст автореферата размещен на сайте РГАУ-МСХА им. : www. ***** и направлен в ВАК РФ по адресу *****@ .
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ – МСХА имени .
Автореферат разослан «____» _______________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Эффективная политика в области охраны окружающей среды, декларированная в действующем природоохранном законодательстве, может осуществляться только на основе полной информации о характеристике природных объектов и комплексной оценке полученных данных. Признавая важность оценки состояния всех природных сред, вместе с тем, особо следует подчеркнуть актуальность оценки состояния почвы, которая, в силу своей специфики, является средой, депонирующей загрязняющие вещества и во многом определяющей устойчивость экосистемы к негативному антропогенному воздействию. Ее роль долгое время недооценивалась, что выразилось в отсутствии должного внимания как к экологическому мониторингу почвы, так и к системе нормирования в этой области.

В настоящее время ситуация изменилась, однако исследования по оценке антропогенного воздействия на почвенный покров городов и крупных населенных пунктов в основном осуществляются только с целью санитарно-гигиенической характеристики территорий, что накладывает свой отпечаток на формирование программы исследований. В большинстве случаев в программу включают контроль основных токсикантов и интерпретацию полученных данных на базе использования ПДК и фоновых значений. В результате таких наблюдений почва рассматривается исключительно как субстрат без учета выполняемых ею экологических функций (Добровольский, Никитин, 2000; Добровольский, 2007). Такая ситуация характерна практически для всех исследований, проводимых в рамках государственных программ, осуществляемых Росгидрометом и другими ведомствами, что ограничивает возможность использования полученных данных в принятии управленческих решений.

Кроме этого, большинство научных работ и государственных программ мониторинга состояния почвенного покрова априори являются неполными, поскольку крайне редко исследованием охватываются почвы промышленных зон, что связано с ограниченным допуском сторонних лиц на территорию предприятий. В итоге участки земель, в наибольшей степени трансформиро-ванные техногенным воздействием, остаются практически неизученными.

В связи с этим существует острая необходимость проведения более глубокого анализа состояния городских почв по следующим направлениям: 1) изучение базовых почвенных характеристик в условиях интенсивной антропогенной нагрузки; 2) оценка специфики и степени воздействия различных видов хозяйственной деятельности человека на загрязнение почвенного покрова, в том числе на территории промышленных зон.

Актуальность первой задачи обусловлена тем, что только на основе информации о содержании и качестве органического вещества, физико-химических и других характеристик почвы возможна ее оценка как геохимического барьера на пути миграции токсикантов, в значительной степени определяющего качество среды обитания человека и самоочищающую способность экосистем (Ковда, 1985; Мотузова и др., 1989; Черников и др., 2000, 2004; Макаров, 2002; Никитин, 2005).

Необходимость исследований в рамках второго направления во многом вызвана крайне неблагоприятным состоянием окружающей среды в зоне интенсивной хозяйственной деятельности, особенно в городах (Экогеохимия…, 1995; Химический состав …, 2009; Государственный доклад …, 2010; Динамика изменения …, 2010), и необходимостью, в связи с этим, разработки системы мероприятий по реабилитации и охране природных объектов на таких территориях, включая промышленные площадки и участки размещения отходов производства и потребления. Решение этой задачи возможно только на основе полной информации о специфике современного состояния природных сред и, прежде всего, почвы. Более того, востребованность такого направления обусловлена увеличением экономической значимости результатов исследования почв, связанных с определением размера экологических платежей от субъектов хозяйственной деятельности.

Следует отметить, что кроме наличия информации о загрязнении, крайне важным является ее объективная интерпретация (особенно когда речь идет о комплексном загрязнении), а также идентификация источника загрязнения. Проблема выявления причин и виновников загрязнения стала особенно актуальной в последние несколько лет в свете усиления борьбы с экологическими правонарушениями, одним из наиболее действенных инструментов которой является судебная экологическая экспертиза (Омельянюк, 2004; Никифоров, 2004). Практика, однако, показывает, что методика и методология экологической и почвоведческой экспертизы нуждаются в совершенствовании.

В связи с этим особую актуальность приобретают исследования, программа которых ориентирована на определение уровня загрязнения территорий с учетом базовых почвенных характеристик и комплексного характера загрязнения, а также разработка методологии и методических подходов к решению названных выше задач.

Цель и задачи исследования

Целью исследования являлась экологическая оценка регионально-типологических особенностей техногенно загрязненных почв различных функциональных зон города с интенсивной промышленной и транспортной нагрузкой на примере заречной части Нижнего Новгорода и разработка методических подходов к оценке полиметаллического загрязнения с использованием интегральных расчетных показателей, биологического отклика системы, а также приемов идентификации источников загрязнения.

В рамках проведения работы решались следующие задачи:

·  изучение специфики кислотно-основного состояния городских почв и их буферности в зависимости от природных особенностей территории Верхнего Поволжья и уровня техногенной нагрузки;

·  характеристика органического вещества почв урболандшафтов низинного заречья г. Н. Новгорода (по содержанию органического углерода, групповому и фракционному составу гумуса), а также уровня их обеспеченности подвижными формами фосфора и калия;

·  выявление типологических особенностей формирования аккумуляций отдельных тяжелых металлов (ТМ) в почве (свинца, кадмия, цинка, меди, никеля, хрома) в связи с функциональным использованием территории, в том числе на промышленных площадках крупного предприятия машиностроительной отрасли;

·  анализ степени подвижности тяжелых металлов в почвах техногенно преобразованных ландшафтов низинного заречья Верхней Волги и выявление факторов, определяющих мобильность токсикантов, а также корреляционных связей между ними;

·  комплексная экологическая оценка загрязнения почв г. Н. Новгорода тяжелыми металлами по стандартному (суммарный коэффициент загрязнения) и авторскому (интегральный оценочный балл) расчетным показателям и их сравнительный анализ;

·  определение токсичности почв промышленных площадок и рекреационных зон методом биотестирования с использованием в качестве тест-объектов семян культурных растений и показателей активности почвенно-биотического комплекса;

·  обоснование региональной системы эколого-геохимической идентификации источников загрязнения и ее апробация на примере промышленной зоны г. Нижнего Новгорода.

Научная новизна

Сформирована база данных по показателям химического состава почв заречной части г. Н. Новгорода, включающая в себя информацию об обеспеченности почв биогенными элементами, содержании и характеристике качественного состава органического вещества, концентрации тяжелых металлов, кислотно-основному состоянию почв. Исследование проведено по функциональным зонам, из которых промышленная зона, включающая в себя промышленный узел автозавода, обследована впервые: детально изучены почвы промышленных площадок с учетом расположения отдельных производств, а также мест размещения отходов, характеризующихся специфическим влиянием на природные объекты.

Определена предельная кислотная и щелочная нагрузка на почвы с различными природными свойствами и степенью антропогенной нагрузки, а также устойчивость реакции почвенной среды на подкисляющее и подщелачивающее воздействие в отдельных диапазонах рН.

Произведена оценка степени загрязнения почв различных функциональных зон низинного заречья Нижнего Новгорода в соответствии с общепринятыми критериями, а также рассмотрен состав ассоциаций металлов в зависимости от расположения и характера влияния основных источников загрязнения на окружающую территорию. Дано обоснование целесообразности применения интегрального показателя степени загрязнения, отражающего совокупное действие тяжелых металлов с учетом степени их опасности для окружающей среды, при оценке почв города.

Разработаны и опробованы на региональном уровне методические подходы к идентификации источников загрязнения почвенного покрова и описанию формирующихся техногенных аномалий, учитывающие наличие в почвах элементов-индикаторов, состав и соотношения элементов-загрязнителей, их профильное распределение, а также степень контрастности формирующихся техногенных аномалий.

Основные положения, выносимые на защиту

·  отличительной особенностью техногенно преобразованных почв низинного Заречья является их высокая кислотно-основная буферность, высокое содержание углерода и специфичный состав органического вещества, а также высокая обеспеченность подвижными формами биогенных элементов;

·  приоритетными загрязняющими веществами почв г. Н. Новгорода являются цинк, медь и свинец, уровень аккумуляции, подвижность и контрастность площадного распределения которых определяется функциональным использованием территории;

·  интегральный оценочный балл, учитывающий совокупное действие тяжелых металлов с учетом степени их опасности для окружающей среды, характеризует экологическое состояние почв более объективно, чем широко используемый суммарный коэффициент загрязнения;

·  биотестирование загрязненных почв с использованием семян культурных растений может использоваться при характеристике степени опасности полиметаллического загрязнения городских почв (за исключением агротехногенной зоны); показатели биологической активности не всегда коррелируют со степенью загрязнения почвы в силу их высокой чувствительности к действию других факторов;

·  основными критериями, которые могут использоваться в процессе идентификации источника загрязнения тяжелыми металлами, являются наличие или отсутствие в почве индикаторного элемента, оценка качественного состава загрязняющих веществ, их распределение по профилю и степень контрастности загрязнения.

Практическая значимость и реализация результатов исследований

Результаты работы используются в ходе оценки воздействия на окружающую среду со стороны промышленных объектов автозавода, для составления регулярной экологической отчетности, предоставляемой в специально уполномоченные органы в области охраны окружающей среды, а также для разработки природоохранных мероприятий с привязкой к функциональным зонам. С учетом полученных результатов осуществляется разработка перечня природоохранных мероприятий в . Программа исследования почв промышленных зон и его результаты являются составной частью материалов, представляемых на экологическую экспертизу для получения лицензии на обращение с отходами .

Информационная база, сформированная на основе исследований, используется в ходе общественных слушаний проекта застройки городских территорий (рекреационных зон заречной части г. Н. Новгорода), а также в процессе экологического проектирования объектов хозяйственной и иной деятельности административных районов города.

Методологические и методические подходы к идентификации источников загрязнения использованы при разработке нормативно-методических документов для обеспечения судебной экспертной деятельности в области экологической экспертизы почвенного покрова.

Результаты исследований, а также разработанные автором подходы к их оценке, применяются в процессе преподавания дисциплин: экотоксикология, экологическая экспертиза и оценка воздействия на окружающую среду, охрана окружающей среды и рациональное природопользование, методы агрохимических и экологических исследований, экономика природопользования и экологический мониторинг для студентов экологических специальностей в Нижегородской ГСХА и Волжском государственном инженерно-педагогическом университете.

Апробация работы

Результаты исследований были доложены на международных съездах, симпозиумах и конференциях (Санкт-Петербург, 2000; Суздаль, 2000; Пенза, 2002, Новосибирск, 2004; Владимир, 2005; Москва, 2007; Нижний Новгород, 2004, 2005, 2008, 2011), всероссийских научно-практических конференциях в высших учебных и научно-исследовательских заведениях городов Н. Новгорода (1998, 2002), Москвы (2002, 2005), всероссийской школе «Экология и почвы» (2001, 2006), региональных научно-практических конференциях (Н. Новгород, 1998, 2000, 2002), а также на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Нижегородской ГСХА ().

Общее количество опубликованных работ представлено 78 наименованиями (личное участие обозначено в 61,5 усл. печ. листов).

Полученная информационная база, а также подходы к оценке загрязнения и идентификации источников опробованы и широко используются в ходе осуществления экологического менеджмента Управлением экологии (ныне ), а также при проведении судебной экологической экспертизы.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа содержит введение, 8 глав содержательной части, выводы и рекомендации производству. Она изложена на 354 страницах, содержит 85 таблиц, 31 рисунок и 9 приложений. Список литературы включает 403 наименования, в т. ч. 55 публикаций иностранных авторов.

Выражаю искреннюю благодарность коллективу кафедры агрохимии и агроэкологии Нижегородской ГСХА, коллективу лаборатории экологического мониторинга , а также научному консультанту – доктору с.-х. наук, профессору за помощь в выполнении работы.

Глава 1. Основные направления трансформации

почвенного покрова города

На основе материалов исследования российских и иностранных авторов показано, что в зонах интенсивного антропогенного воздействия имеет место механическая и химическая трансформация почвенного покрова, проявляющаяся в нарушении, а также изменении их геохимических характеристик: увеличении значения рН, аккумуляции технофильных элементов, изменении параметров гумусового состояния и ряда других показателей. Степень и направление трансформации определяется характером землепользования, а также спецификой промышленного развития территории (Строганова, 1998; , , 2000; Никифорова, Алексеева, 2002; Прокофьева, Строганова, 2004; Почвы мегаполисов …, 2007). Анализ методических подходов, используемых при оценке загрязнения почв, показал, что действующая в настоящее время система имеет серьезные недостатки и нуждается в усовершенствовании.

При оценке экологического состояния почв рекомендуется использовать дополнительные критерии: подвижность металлов (Соловьев, 1989; Sauve et al., 1998), биодоступность (Johnson et al., 2003; Chapman et al., 2003), чувствительность почвенной биоты (Гузев, Левин, 1991; Галиулин, Галиулина 2006) и растительности (Мотузова и др., 1989; Влияние загрязнения …, 2009), а также ферментативную активность (Левин и др., 1989; Девятова и др., 2007; Галиулин, Галиулина, 2010). Важную роль играет выработка оптимального подхода к разработке интегральных показателей загрязнения почв (Касатиков, 1991).

Глава 2. Объекты и методы исследования

Исследование проводилось на территории заречной части г. Н. Новгорода, включающей пять административных районов: Автозаводский, Ленинский, Канавинский, Московский и Сормовский. Заречная часть города является в основном молодой – освоение территории началось в 30-х годах ХХ века. В настоящее время здесь сосредоточено наибольшее количество крупных промышленных объектов, оказывающих существенное влияние на состояние окружающей среды, в том числе почвенного покрова.

Геоморфологическая структура низинного заречья охватывает спектр элементов, включающий пойму и три надпойменные террасы, причем наибольшую территорию занимает вторая терраса. Её поверхность представляет собой плоскую равнину с возвышающимися над ней песчаными всхолмлениями. Влияние ландшафта на пространственное перераспределение загрязняющих веществ здесь минимально из-за прерывистости путей их перемещения, связанной с застройкой, дорогами, ливневой канализацией. Исключением являются зоны переувлажненных низин, где возможна местная аккумуляция загрязняющих веществ за счет поверхностного стока.

Коренные породы низинного заречья, представленные пермскими отложениями, перекрыты древними и современными аллювиальными отложениями легкого гранулометрического состава. Зональными здесь являются подзолистые и дерново-подзолистые почвы. В условиях механического нарушения почвенного покрова, а также постоянного привноса чужеродного материала, почвы исследованной территории могут быть идентифицированы с использованием общепринятой классификационной терминологии только на окраинах города, в парковых и лесопарковых зонах, а также на участках естественного ландшафта в пределах городской черты. Чаще всего почвы исследуемой территории близки к техногенным поверхностным образованиям (ТПО), группе квазиземов и подгруппе урбиквазиземов (Классификация …, 2004).

Нижний Новгород является крупным промышленным городом с высокоразвитой индустрией машиностроения. Основным предприятием, оказывающим влияние на состояние окружающей среды, является . Его воздействие на природные объекты весьма разнообразно, что связано с широким спектром производств, входящих в его состав: литейное, кузнечное, инструментальное, сборочное, окрасочные и др. Кроме того, на территории главной площадки расположена Автозаводская ТЭЦ. Отдельного внимания заслуживают места накопления, временного складирования и постоянного размещения промышленных отходов, а также участки, на которых отходы размещались ранее. Основными являются иловые карты очистных сооружений промышленных стоков, карты отходов гидрозолоудаления, карты осадка химводоочистки, территория старой свалки и шлакоотвала в Гавани (территория между главной промышленной площадкой и р. Окой), площадки накопления и временного хранения отходов для переработки в . Общая площадь промышленных площадок составляет около 7,5 км2, из которых на долю запечатанных территорий в среднем приходится 62%. Свободные от застройки участки имеют чаще всего нарушенный почвенный покров.

Исследование было начато в 1997 г. в рамках работы по оценке экологического состояния почвенного покрова г. Н. Новгорода, проводимой на базе ЦАС «Нижегородский» и кафедры агрохимии и агроэкологии Нижегородской ГСХА под руководством зав. кафедрой агрохимии и агроэкологии НГСХА, проф., докт. с.-х. наук . Автор работы принимал непосредственное участие в проведении обследования и обработке данных. При отборе образцов почв был использован географический принцип – на территорию накладывалась равномерная сетка пробоотбора, иногда нарушаемая ландшафтными особенностями местности. Результаты показали, что основной фактор, определяющий уровень загрязнения территории – это ее функциональное назначение. В связи с этим в период гг. автором было проведено самостоятельное исследование с привязкой к функциональным зонам города, послужившее основой данной работы. При выборе точек отбора проб использовали следующий принцип: наибольшее количество проб отобрано в районах с высокой антропогенной нагрузкой и минимальное – на окраинах города. Отбор производился в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84.

Исходя из сложившейся структуры использования земель, территория была разделена на следующие функциональные зоны.

1.  Промышленная зона – территория промышленных площадок . Почвенный покров зоны имеет в основном насыпной характер (техногенные поверхностные образования), хотя на периферических частях промышленной зоны сохранились химически трансформированные естественные почвы различной степени нарушенности.

2.  Транспортная зона включает в себя придорожные территории вдоль автомагистралей района с движением различной степени интенсивности.

3.  Селитебно-транспортная зона – районы с повышенной этажностью, расположенные в непосредственной близости от промышленных объектов, а также от транспортных магистралей с высокой интенсивностью движения.

4.  Селитебная (жилая) зона представлена районами с низкой этажностью, без существенного влияния транспорта, расположенная на значительном удалении от промышленных источников загрязнения. Почвенный покров последних трех зон представлен преимущественно стратоземами и техногенными поверхностными образованиями.

5.  Агротехногенная зона. В ее состав входят почвы, используемые для выращивания растениеводческой
продукции. В основном участки приурочены к окраинам города и представлены частными садами, огородами и дачными участками, а также несколькими относительно крупными сельскохозяйственными предприятиями. Преобладающие почвы – дерново-подзолистые пахотные.

6.  Рекреационная (парковая) зона. Зону формируют территории, к наиболее крупным из которых относятся Стригинский бор, Автозаводский парк и парк «Дубки». Эти участки занимают различное положение по отношению к основным локальным и площадным источникам загрязнения района и города, а также имеют существенные отличия по генезису. Стригинский бор находится на юго-западной окраине Автозаводского района. Антропогенная нагрузка здесь минимальна и почвенный покров бора практически не трансформирован. Автозаводский парк находится на расстоянии 1,2 км к западу от промышленных площадок . К северу от парка расположены преимущественно спальные районы без крупных предприятий-источников выбросов. К южной и восточной границе парка примыкают крупные автомагистрали с интенсивным движением. Парк «Дубки» находится в зоне интенсивного техногенного воздействия: на расстоянии 1,1 км к западу расположена промышленная площадка (корпус цветного литья), а в непосредственной близости – перекресток двух оживленных автотрасс. В двух последних парках нагрузка связана со значительными выбросами промышленных предприятий и транспорта, а также высоким уровнем рекреационного воздействия. В зоне преобладают аллювиальные дерновые почвы, а также дерновые примитивные на песках.

7.  Зона естественных ландшафтов – это территория на окраине городской черты, практически не трансформированная антропогенной деятельностью. Преобладающие типы почв: аллювиальные дерновые, дерновые примитивные на песках, дерново-подзолистые.

Лабораторные исследования выполнены на кафедре агрохимии и агроэкологии Нижегородской ГСХА и в лаборатории экологического мониторинга Управления экологии . При этом использовались стандартные методы, принятые в практике агрохимического и экологического мониторинга (ГОСТ , ГОСТ , ГОСТ , ГОСТ , РД 52.18.191-89, РД 52.18.289-90 и др.). Полученные результаты были обработаны методами описательной, корреляционной и вариационной статистики.

Глава 3. Кислотно-основные свойства почв города

Одним из характерных направлений трансформации городских почв является изменение их кислотности. В работе внимание уделялось двум аспектам: 1) изучение современного состояния кислотно-основных характеристик городских почв с учетом их расположения в функциональных зонах; 2) оценка кислотно-щелочной буферности почв.

В целом значение рНKCl почв исследуемой территории варьирует в широком диапазоне – от очень сильнокислого до слабощелочного значения (рис. 1).

Рис. 1. Характеристика распределения значений рНKC в почвах заречной части г. Н. Новгорода

Основной тенденцией изменения показателя в почвах г. Н. Новгорода является его смещение в нейтральную зону. Распределение отличается асимметрией, связанной с преобладанием значений в интервале 6,51-7,50. Лишь около 20% площадок находится в кислом диапазоне (<5,5 ед. рН), что свойственно почвам данной почвенно-климатической зоны, не подверженным ярко выраженному техногенному воздействию.

Массивы с кислой реакцией среды приурочены в основном к окраинам города. Как правило, это участки на границе селитебных районов, приуроченных к естественным ландшафтам и рекреационной зоне (табл. 1). Здесь наблюдается максимальная вариабельность показателя рНKCl, что в основном обусловлено природными факторами: заречная часть расположена на территории, почвенный покров которой сформирован комплексом аллювиальных, дерновых и дерново-подзолистых почв, существенно различающихся по гранулометрическому, минералогическому, химическому составу и по физико-химическим характеристикам.

1. Значение рНKCl почвенного покрова функциональных зон

заречной части г. Н. Новгорода

Зона	Слой, см	Количество площадок	М ± m	Max	Min	V, %
Промышленная	0-5	56	7,21 ± 0,08	8,08	5,10	9
5-20	7,28 ± 0,10	8,62	5,12	10
Транспортная	0-5	50	6,88 ± 0,07	7,80	5,60	8
5-20	6,78 ± 0,08	8,15	5,60	9
Селитебно-транспортная	0-5	54	6,57 ± 0,12	7,65	3,41	14
5-20	6,94 ± 0,12	8,42	3,62	13
Селитебная	0-5	20	6,36 ± 0,28	7,90	4,00	19
5-20	6,38 ± 0,35	8,30	3,90	24
Агротехногенная	0-5	10	7,01 ± 0,08	7,70	6,70	4
5-20	7,05 ± 0,10	7,70	6,80	4
Рекреационная	0-5	57	5,33 ± 0,14	7,20	3,12	20
5-20	5,17 ± 0,14	7,50	3,18	20
Естественный ландшафт	0-5	12	4,89 ± 0,43	7,30	3,50	28
5-20	5,13 ± 0,42	7,25	3,45	26

Основная часть исследуемой территории имеет нейтральную реакцию среды (рН выше 6,0), переходящую в слабощелочную – более 70%. В селитебной, селитебно-транспортной и транспортной зонах практически повсеместно на глубине 20-40 см располагается более или менее мощный слой строительного мусора (который при известном приближении может рассматриваться в качестве диагностического горизонта), засыпанного после завершения строительства маломощным привозным или местным грунтом. Данный слой формирует карбонатную буферную систему, обеспечивая низкую кислотность этих почв.