ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ БИОЦЕНОЗОВ

Важная роль почвы в сохранении структуры биосферы требует прежде всего организации контроля за состоянием почвенного покро­ва. Экотоксикологические исследования воздействия предприятий цветной металлургии на почвенный и растительный покров за послед­ние годы позволили оценить изменения природной среды вблизи источников загрязнения, изучить степень неблагоприятного воздейст­вия на почвенную биоту и наметить пути преодоления опасных ток­сикологических ситуаций.

Предприятия цветной металлургии располагаются в различных почвенно-биоклиматических регионах. Воздействие выбросов этих предприятий на компоненты биосферы оказывается весьма различным в аридных и гумидных зонах, хотя существуют и некоторые общие закономерности, независимо от почвенного типа и природно-клима­тической обстановки. Несмотря на всю сложность движения воздуш­ных масс в различных почвенно-климатических регионах, потоки газопылевых выбросов и их выпадение на поверхность почвы соответ­ствуют в целом розе ветров в нижних слоях атмосферы с учетом особенностей рельефа и характера поверхности. Количество поллютантов убывает в степенной зависимости с расстоянием от источника выбросов. Вблизи импактного (точечного) источника загрязнения выделяют обычно от трех до пяти зон с повышенным (по сравнению с фоновым) в десятки и сотни раз уровнем содержания тяжелых металлов (табл. 53). На расстоянии 0,5—0,75 км от предприятий выделяется так называемая охранная зона, где содержание тяжелых металлов не контролируется. Аналогичные зоны загрязнения выделяют и для растительного покрова.

Зоны высокой степени загрязнения почв, их размеры и протяжен­ность тесно связаны с векторами розы ветров. Рельеф, городские постройки изменяют направление и скорость движения приземного слоя воздуха. Долины рек, вытянутые депрессии служат коридорами, по которым устремляются потоки воздуха, тогда как повышения рельефа могут служить препятствием и приводить к инверсии воздуш­ного потока. Штили и туманы могут способствовать выпадениям осадков вблизи источника поллютантов на небольшой территории.

Таблица 53. Зоны загрязнения и уровень содержания тяжелых металлов в почве

Площадь воздействия промышленных предприятий может дости­гать 1000 км² для высокобуферных экосистем, возрастая в несколько раз в случае малобуферных, «расшатанных» экосистем, например в тундровой подзоне. Как правило, предприятия цветной металлургии расположены вблизи источников воды — рек и озер. При недостаточ­ной очистке сбросов в реки поступает большой набор поллютантов непосредственно от импактного источника. Кроме того, загрязняющие вещества могут поступать в виде взвесей и в растворимых формах. Как показано на примере промышленных районов, в которых применяется орошение полей водами с повышенным содержанием тяжелых метал­лов, содержание токсикантов в верхних пахотных горизонтах может достигать значительных величин на расстоянии до 20 км от источника.

Влияние оросительных вод на загрязнение почв и общую экологи­ческую ситуацию наглядно иллюстрируют результаты исследований Григоряна, проведенных в ряде районов Армении. Часть данных на примере коричневой лесной остепненной почвы приведена в табл. 54.

В почве, орошаемой загрязненными водами р. Дебед (в которую сбрасывают отходы металлургического предприятия Алаверди), содер­жится в верхних горизонтах примерно в 2 раза больше меди, в 1,2—3 раза больше никеля, в 1,5 раза — марганца, в 5—7 раз — молибдена, в 5—10 раз больше цинка, чем в почвах незагрязненных.

Таблица 54. Валовое содержание некоторых металлов в коричневой лесной остепненной почве (по Григоряну, 1990)

Характерно, что содержание таких элементов, как железо и титан, практически не изменилось, что понятно, поскольку они не входят в состав загрязняющих веществ оросительных вод. Второй характерный признак — наибольшее накопление загрязняющих элементов в верхних горизонтах почв, что однозначно указывает на их происхождение — привнос с оросительными водами.

Такие уровни загрязнения отразились и на содержании подвижных, доступных растениям форм соединений тяжелых металлов. Их коли­чество также увеличилось в 1,5—2 и даже в 5 раз. Эти изменения отразились на почвенной биоте, общих свойствах почв и почвенном плодородии. В частности, резко снизилась активность почвенных ферментов: инвертазы, фосфатазы, уреазы, каталазы; примерно в 2 раза снизилось продуцирование СО₂. Ферментативная активность — хоро­ший интегральный показатель экологической обстановки в системе «почва — растение». На загрязненных почвах резко снизилась и уро­жайность различных культур. Так, урожай томатов (ц/га) в среднем снизился от 118,4 до 67,2; огурцов — от 68,3 до 34,2; капусты — от 445,7 до 209,0; картофеля —от 151,8 до 101,3; яблок — от 72,4 до 32,6 и персиков — от 123,6 до 60,6.

Аналогичные результаты получены и на других почвах. Таким образом, вопрос о загрязнении почв является комплексным: сама почва может загрязняться, а загрязненная почва также становится источником загрязнения. Почва одновременно служит акцептором загрязня­ющих веществ и их донором для других природных сред, так как является центральным звеном в биогеохимических циклах различных элементов и соединений.

В окружающую среду поступает большое число элементов с эма-нациями предприятий цветной металлургии: до 10—20 элементов, причем до 4—6 приоритетных, или главных. Поллютанты часто не связаны с основной продукцией предприятия, а входят в состав примесей. Так, вблизи свинцово-плавильного завода приоритетными загрязнителями кроме свинца и цинка являются кадмий, медь, ртуть, мышьяк, селен, а около предприятий, выплавляющих алюминий,— фтор, мышьяк, бериллий. Поэтому экологические последствия в ок­рестностях промышленных предприятий могут быть вызваны не ос­новной продукцией, а примесями или используемыми реагентами. Значительная часть выбросов предприятий попадает в глобальный круговорот: до 50—60 % свинца, цинка, меди и до 90 % ртути.

Интенсивное действие предприятий часто наблюдается на неболь­ших площадях. Это вызвано тем, что в воздухе вблизи предприятий содержание токсикантов — тяжелых металлов, соединений мышьяка, фтора, оксидов серы, серной кислоты, иногда соляной кислоты, циа­нидов — бывает столь велико, что иногда достигаются уровни ПДК. В этих случаях гибнет травяной покров, лесные насаждения. Начинается смыв почв, развиваются эрозионные процессы, образуются глубокие овраги, сильно загрязняются почвы террас и поймы. До 30—40 % поллютантов из почвы поступает в фунтовые воды.

В экстрааридной зоне значительная буферность почв способствует некоторому смягчению негативного воздействия, но лишь до извест­ного предела. Почва служит мощным барьером для потока поллютан­тов, что обусловлено высокой почвенной емкостью поглощения. Расчеты показывают, что черноземы способны только в пахотном горизонте прочно фиксировать до 100—150 т свинца, подзолистые — до 25—35 т/га. Почва способна с течением времени активно трансфор­мировать поступающие в нее соединения. В этих реакциях принимают участие минеральные и органические компоненты, возможна также трансформация биологическим путем. При этом водорастворимые соединения переходят в ионообменные, труднорастворимые (оксиды, гидроксиды, соли с низким произведением растворимости), органиче­ское вещество образует с ионами тяжелых металлов комплексные соединения. Взаимодействие с почвой происходит по типу реакций сорбции, осаждения — растворения, комплексообразования, образова­ния простых солей. Скорость процесса трансформации зависит от реакции среды, содержания тонкодисперсных частиц, количества гу­муса.

Для экологических исследований последствий загрязнения почв тяжелыми металлами существенное значение приобретают концентрация и формы нахождения тяжелых металлов в почвенном растворе, так как подвижность тяжелых металлов тесно связана с составом жидкой фазы. Низкая растворимость оксидов и гидроксидов тяжелых металлов наблюдается в почвах с нейтральной или щелочной реакцией. Мобиль­ность тяжелых металлов наиболее высока при сильнокислой реакции почвенного раствора, поэтому токсическое влияние тяжелых металлов в сильнокислых таежно-лесных ландшафтах может быть более суще­ственным по сравнению с почвами нейтральных или щелочных ланд­шафтов.

В общем виде, учитывая растворимость соединений различных тяжелых металлов, можно расположить их по токсичности в зави­симости от степени кислотности в следующий убывающий ряд: кадмий > никель > цинк > марганец > медь > свинец > ртуть.

На токсичность влияют состав и свойства почвы, от которых зависит прочность фиксации поступающих в нее соединений тяжелых металлов. Помимо перечисленных факторов на токсичность оказывает влияние совместное действие элементов: в каких соотношениях и в какой форме они поступают в почву.

Среди предприятий цветной металлургии наиболее сильное эколо­гическое воздействие на окружающую среду оказывают комбинаты, расположенные в тундровой подзоне. Специфические природно-кли­матические условия (суровая почвенно-гидрологическая обстановка при наличии вечной мерзлоты) резко сокращают продолжительность периода, в течение которого возможна водная миграция минеральных и органоминеральных соединений элементов-поллютантов. Глееобра-зование способствует переходу ряда элементов в закисные формы, образующие более легкорастворимые соединения.

Наблюдается также резко выраженное перераспределение загряз­няющих веществ между трансэлювиальными и аккумулятивными ланд­шафтами: содержание меди в аккумулятивных ландшафтах в 2—5 раз, иногда в 15—25 раз выше, чем в почвах трансэлювиальных ландшафтов. Для никеля эти соотношения также высоки и достигают 15-кратного уровня. Поэтому степень экологических нарушений в аккумулятивных ландшафтах нарастает. В тундровых почвах естественные уровни со­держания меди, никеля, кобальта находятся в пределах, близких клар-ковым значениям для фоновых территорий. Но уже вблизи комбината, на территории зоны влияния выбросов предприятий содержание тя­желых металлов достигает существенных величин. Уровни содержания элементов в таких почвах превышают фоновые для меди в 100 раз и более, для никеля — в 50 раз, для кобальта — в 4,5 раза.

Для чувствительных к техногенному воздействию тундровых био­ценозов такие масштабы загрязнения чрезвычайно опасны. Вследствие техногенного пресса при неоднородности почвенного покрова и диф­ференцированной чувствительности растений к поллютантам проис­ходят существенные изменения флористического состава: на площади до 500 км² вокруг источника выбросов погибают лишайники — надеж­ный индикатор неблагоприятных воздействий, древесные породы; образуется пустынная территория с мертвыми деревьями.

Сильное воздействие на окружающую среду оказывают выбросы предприятий цветной металлургии, расположенных в подзоне кислых подзолистых и дерново-подзолистых почв. Низкобуферные, ненасы­щенные основаниями и малогумусные дерново-подзолистые почвы с преобладанием агрессивных органических соединений в условиях вы­сокой кислотности, так же, как и тундровые биоценозы, испытывают значительное воздействие загрязняющих веществ.

Накопление поллютантов в гумусовом горизонте в условиях кислой среды в два раза и более превышает таковое в материнской породе; в присутствии определенного количества органических и неорганиче­ских лигандов тяжелые металлы трансформируются в более подвиж­ные, миграционно-способные соединения, которые поступают в нижележащие слои, в почвенно-грунтовые воды и за пределыданного техногенного ландшафта, усиливая неблагоприятное экологическое воздействие. Негативное влияние .тяжелых металлов существенно ос­ложняется из-за присутствия оксидов серы в составе газопылевых выбросов.

В почвах, особенно расположенных в трансэлювиальных ландшаф­тах, развиваются процессы сноса верхних гумусовых и нижележащих горизонтов в результате водной эрозии, что приводит в конечном итоге к образованию техногенной пустыни. В низкобуферных ландшафтах тундровых и дерново-подзолистых почв неблагоприятные экологиче­ские последствия химического загрязнения прослеживаются визуаль­но: это проявляется в поражении древесного и кустарникового ярусов, частичном или полном отсутствии травяного покрова, смене отдельных растительных видов, развитии эрозионных процессов, образовании территорий техногенного происхождения.

Влияние предприятий, расположенных в высокобуферных ланд­шафтах аридного или семиаридного климата (черноземы, каштановые почвы, сероземы), во' многих случаях визуально не прослеживается. Несмотря на высокое содержание тяжелых металлов в почвах и расте­ниях таких ландшафтов, даже вблизи источника выбросов существен­ных внешних изменений не происходит и ландшафт визуально не производит впечатления техногенно нарушенного. В условиях нейт­ральной или щелочной реакции почвенного раствора, присутствия значительного количества гумусовых соединений, преобладания фрак­ций тяжелого механического состава с большой удельной поверхностью тяжелые металлы находятся в неактивной, малодоступной форме и накапливаются преимущественно в верхней части почвенного профи­ля. Конечно, если объем выбросов в атмосферу не уменьшается со временем, то неизбежно буферные свойства почвы по отношению к загрязняющим веществам будут исчерпаны и начнут происходить необратимые нарушения.

Подводя общие итоги, можно выделить следующие основные этапы в реакции почв на техногенное воздействие, в эволюции их от естест­венного состояния до техногенно нарушенного:

1) накопление химических загрязняющих веществ до критического
уровня;

2) значительное изменение физических и химических свойств почв —
сдвиги в неблагоприятную сторону значений рН, емкости катионного
обмена, потеря почвенной структуры;

3) неблагоприятное воздействие почвенных условий на раститель­
ный покров, угнетение почвенной биоты и высших растений;

4) развитие процессов эрозии, дефляции;

5) полное разрушение почвенных горизонтов, деградация почв;

6) образование техногенной пустыни.

Конечно, почва имеет значительную емкость поглощения и устой­чивость по отношению к загрязняющим веществам. В почве осущест­вляются процессы трансформации различных соединений, в том числе экологически опасных, причем могут происходить как процессы пре­вращения в малотоксичные, инертные или малодоступные растениям соединения, так и увеличение относительной токсичности химических соединений вследствие растворения в кислой среде.

Химические загрязняющие вещества задерживаются почвой на различных геохимических барьерах — карбонатном, окислительно-восстановительном и др. Несмотря на протекторные свойства почвы, существуют пределы и уровни техногенного воздействия на окружаю­щую среду, превышение которых приводит к необратимым последст­виям. В экстремальных случаях техногенное воздействие приводит к такому глубокому изменению свойств почвы, что рекультивация воз­можна только путем создания нового почвенного слоя, что требует длительного времени и очень высоких затрат труда и материалов.