Воздействие атмосферных выбросов магнезитового

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
банизация, объясняющая от 47 до 96% их общей
дисперсии, тогда как только рекреация значимо
влияет на три из них (и объясняет менее 50%
общей дисперсии).
Таким образом, в условиях городской среды
уменьшается ПП и фитомасса ТКЯ лесных
насаждений как в мезо-, так и в микромасштабе. При этом ПП и фитомасса синантропных
видов возрастает, поскольку в исследованных
городских лесах они встречаются не только в
местах локальных нарушений, что характерно
для загородных участков, но и по всей площади
фитоценоза.
При исследовании особенностей антропогенной трансформации лесов в городе основным действующим фактором обычно считают
рекреацию [6, 7, 10]. При этом атмосферное
загрязнение, если и учитывается, то его следствием считается ослабление древостоя, а состояние
нижних ярусов объясняют только влиянием
рекреации [8]. Полученные нами результаты
свидетельствуют, что на большую часть фитоценотических показателей напочвенного покрова
основное влияние оказывает урбанизация, тогда
как рекреация имеет меньшее значение, сильно
сказываясь только на состоянии мохового яруса.
Важным компонентом урбанизации, влияющим
на изменение параметров напочвенного покрова
городских лесов, можно считать высокое обилие
успешно натурализовавшихся адвентивных видов
в составе подлеска, что приводит к значительному затенению нижних ярусов и способствует
ослаблению фитоценотических позиций видов,
типичных для рассматриваемых сосновых лесов.
Литература
1. Феклистов П.А. Насаждения деревьев и кустарников в условиях урбанизированной среды г. Архангельска. Архангельск,
2004. 112 с.
2. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Свердловской области в 2010 г.». Екатеринбург, 2011. 350 c. // URL: http://www.mpso.ru/articles/img/
gos_doklad_2010.pdf.
3. Горчаковский П.Л. Антропогенная трансформация и восстановление продуктивности луговых фитоценозов. Екатеринбург, 1999. 156 с.
4. Шавнин С.А., Галако В.А., Менщиков С.Л. и др. Лесоводственно-таксационная оценка экологического состояния
лесов в условиях рекреации и техногенного загрязнения //
Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2010. № 3 (27). С. 37–41.
5. Толкач О.В., Добротворская О.Е. Состояние возобновления в
зеленых зонах города Екатеринбурга // Известия Самарского
научного центра РАН. 2011. Т. 13. № 1 (4). С. 919–921.
6. Бурова Н.В., Феклистов П.А. Антропогенная трансформация
пригородных лесов. Архангельск: Изд-во Арханг. гос. техн.
ун-та, 2007. 264 с.
7. Таран И.В., Спиридонов В.Н. Устойчивость рекреационных
лесов. Новосибирск, 1977. 176 с.
8. Вахнина И.Л. Состояние сосновых насаждений в лесопарковой зоне города Читы // Вестник КрасГАУ. 2008. № 4.
С. 163–167.
9. Lu X.K., Mo J.M., Dong S.F. Effects of nitrogen deposition
on forest biodiversity: A review // Acta Ecologica Sinica. 2008.
V. 28. № 11. P. 5532–5548.
10. Malmivaara M., Lцfstrцm I., Vanha-Majamaa I. Anthropogenic
effects on understorey vegetation in Myrtillus type urban forests
in southern Finland // Silva Fennica, 2002. 36 (1). Pp. 367–381.
Воздействие атмосферных выбросов
магнезитового производства на почвы
и снеговой покров*
С. Л. Менщиков, д.с.-х.н., Н. А. Кузьмина, аспирантка,
П.Е. Мохначев, аспирант, Ботанический сад УрО РАН
Исследования выполнены в подзоне южной
тайги на Урале в районе г. Сатки. Район исследований характеризуется загрязнённостью
экосистем магнезитовой пылью и отходящими
газами, образующимися в результате обжига
магнезитового сырья на Саткинском комбинате
«Магнезит». За многолетний период работы завода негативному воздействию подверглось более
50 тыс. га государственного лесного фонда. Часть
сосновых и лиственничных древостоев полностью погибла на площади 3 тыс. га, остальные
находятся в различной стадии деградации.
В первый период после организации завода
(1900 г.) объём производства был незначитель-
ный – 439 т сырого магнезита в год. К 1957 г. он
возрос до 856 тыс. т. Именно с этого периода начинается усыхание прилегающих к заводу лесов [1].
В магнезитовом сырье, подаваемом в печь на
обжиг, содержится до 20% примесей, в том числе
от 0,01 до 0,65% серы за счёт присутствия пирита
и частично сфалерита и барита, а также до 0,5%
щелочей, вносимых гидрослюдами, полевыми
шпатами, диабазом и др. Щёлочи связаны с
глинистой частью пород. Особенно высокое содержание щелочей (до 10%) наблюдается в глинистых сланцах. Фтор обнаруживается в количестве
не более 0,01% за счёт присутствия гидрослюд и
–
частично апатита; в слюдах ионы ОН частично
–
замещены F . По данным рентгенофазового
анализа, пыль из электрофильтров, уносимая
в атмосферу, представлена MgO(K,NaO)2SO4
___________________
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ-Урал (проект № 10-04-96028-р-урал-а), правительства
Свердловской области, Уральского отделения РАН (проект № 12-М-23457-2041).
221
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
(твёрдый раствор), Na2Mg (SO4)4 · 2Mg SO4,
MgF2, Mg2SO4, Mg2CO3. В водных вытяжках
обнаружены Mg2SO4, КSO4 · 2Mg2SO4, твёрдый
раствор состава K 0,67Na 1,33SO 4 (K 3Na(SO 4) 2,
CaSO4 [2]. Кроме того, каустическая пыль имеет
сильнощелочную реакцию – рН = 10.
Выбросы в атмосферу магнезитовой пыли к
1963 г. достигли 182,50–328,50 тыс. т в сутки.
После установки электрофильтров (1978 г.) выброс пыли сократился, по данным Министерства
природных ресурсов Челябинской области, до
70–90 т в сутки. В 2003 г. общие выбросы составили 25,02 (пыли – 12,21), в 2009 г. – 24,
45 тыс. т.
По данным Челябинской областной санэпидстанции, запылённость в окрестностях г. Сатки
выше нормы в 5–30, а в 1960 г. была в 20–50 и
более раз. Во второй половине прошлого столетия, по данным снежных проб И.П. Петуховой,
в течение года оседало до 8 т пыли на га на
расстоянии 8–10 км от источника выбросов в
направлении господствующих ветров, а в местах
наибольшего запыления – до 280 т [1].
Цель и методы исследований. Цель работы –
изучение уровня загрязнения почвы и снега
в динамике в районе г. Сатки в градиенте загрязнения в условиях значительного снижения
атмосферных выбросов комбината «Магнезит».
В 1980–1988 гг. в зоне воздействия на растительность выбросов комбината «Магнезит» были
созданы опытные участки (ОУ) и высажены
двухлетние саженцы сосны обыкновенной,
лиственницы Сукачева и берёзы повислой. Воздействие магнезитового загрязнения изучали на
1. Содержание обменных катионов и рН почв в районе
магнезитового запыления, 2011 г.
ОУ/ расстояние
от источника
выбросов, км
ОУ-2-2 / 1
ОУ-5 / 3
ОУ-6 / 3,5
ОУ-3 / 5
ОУ-4 / 10
ПП-7К / 20
Глубина
взятия
образца, см
0–1
1–10
10–11
11–27
27–40
0–3
3–5
5–14
14–27
27–40
40–55
0–1,5
1,5–2,5
2,5–13
13–36
36–60
0–4
4–6
6–20
20–25
25–39
39–70
0–4
5–6
6–16
16–45
45–50
50–56
56–70
0–2,5
2,5–4
4–20
20–31
31–56
56–67
67–76
0–2,5
2,5–8
8–13
13–42
42–55
Сумма Ca++
и Mg++
Ca++
Mg++
мг/экв на 100 г почвы
112,5
95
75
32,5
45
77,5
42,5
87,5
77,5
40
20
72,5
47,5
62,5
137,5
92,5
90
47,5
45
52,5
50
27,5
82,5
67,5
37,5
22,5
52,5
17,5
27,5
50
40
40
30
15
20
27,5
52,5
50
25
42,5
35
30
47,5
22,5
20
30
20
30
32,5
12,5
20
12,5
15
12,5
17,5
20
25
70
35
20
37,5
12,5
20
20
32,5
25
15
17,5
7,5
17,5
25
22,5
15
22,5
10
12,5
20
25
22,5
17,5
27,5
25
222
82,5
47,5
52,5
12,5
15
57,5
12,5
55
65
20
7,5
57,5
35
45
17,5
67,5
20
12.5
25
15
37,5
7,5
62,5
35
12,5
7,5
35
10
10
25
17,5
25
7,5
5
7,5
7,5
27,5
27,5
7,5
15
10
Соотношение
Mg++ / Ca++
рН водной
вытяжки
2,8
1,0
2,3
0,6
0,5
2,9
0,4
1,7
5,2
1,0
0,6
3,8
2,8
2,6
0,9
2,7
0,3
0.4
1,3
0,4
3,0
0,4
3,1
1,1
0,5
0,5
2,0
1,3
0,6
1,0
0,8
1,7
0,3
0,5
0,6
0,4
1,1
1,2
0,4
0,5
0,4
9,54
8,76
8,63
8,61
8,97
9,20
9,00
8,74
8,46
8,22
9,32
8,87
8,55
8,45
8,63
8,62
8,06
8.18
8,40
8,00
7,45
7,70
7,83
7,78
7,71
8,05
7,66
7,65
7,44
7,25
7,43
7,23
7,80
7,70
7,73
7,85
6,42
5,81
6,00
5,85
6,13
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
2. Показатель рН и содержание взвешенных веществ в снеговой воде
Расстояние
от источника, ОУ/км
рН
ОУ-2 / 1
ОУ-5 / 3
ОУ-6 / 3,5
ОУ-4 / 10
ППП-5К / 20
К1/25
10,3±0,03
10,0±0,02
10,0±0,07
9,7±0,06
7,9±0,28
7,4±0,09
ВПП / 0,2
ВПП / 0,5
ОУ-2 / 1
ВПП / 1,5
ВПП / 2,0
ВПП / 2,5
ОУ-5 / 3
ОУ-4 / 10
ППП-5К / 20
9,8±0,18
10,0±0,24
9,4±0,28
9,5±0,12
10,1±0,07
9,8±0,16
9,7±0,12
8,8 ±0,14
8,3±0,08
ОУ-2 / 1
ОУ-5 / 3
ОУ-3 / 5
ОУ-4 / 10
ВПП / 20 (на выезде)
9,7±0,09
8,9±0,08
9,2±0,11
8,1±0,17
7,1± 0,04
ОУ-2 / 1
ОУ-5 / 3
ОУ-3 / 5
ОУ-4 / 10
9,6±0,12
9,2±0,05
7,8±0,14
7,9±0,14
ОУ-2 / 1
ОУ-5 / 3
ОУ-3 / 5
ОУ-4 / 10
9,8
10
9,6
9,5
Масса взвешенного
вещества, г/м2
Масса взвешенного
вещества, г/л
29,51±1,14
15,25±0,79
12,04±0,69
2,9±0,45
1,01±0,19
0,96±0,15
0,5±0,05
0,23±0,01
0,2±0,02
0,05±0,007
0,02±0,002
0,02±0,003
154,05±8,97
50,63±5,24
18,60±1,18
18,13±2,28
71,03±8,84
21,09±1,17
18,32±0,98
3,10±0,62
1,70±0,29
2,87±0,24
0,93±0,08
0,37±0,04
0,24±0,03
0,82±0,04
0,28±0,02
0,23±0,01
0,04±0,006
0,03 ±0,002
37,56±5,04
18,58±3,49
11,99±1,56
6,32±0,73
6,57±0,51
0,29±0,04
0,14±0,03
0,07±0,01
0,04±0,01
0,06±0,001
39,60±3,77
29,39±9,50
22,97±5,27
19,53±7,05
0,30±0,04
0,30±0,09
0,24±0,07
0,14±0,05
Нет свед.
Нет свед.
Нет свед.
Нет свед.
Нет свед.
Нет свед.
Нет свед.
Нет свед.
2012 г.
2010 г.
2006 г.
2002 г.
1983 г.
опытных участках в импактной (ОУ-2-1 – сильный уровень загрязнения) и буферной (ОУ-5,
ОУ-6 – средний уровень загрязнения, ОУ-4 –
слабый уровень загрязнения) зонах комбината
«Магнезит» в районе г. Сатки и фоновых условиях
в районе г. Сулея (ОУ-К). Уровень загрязнения
снега изучали на ОУ, учётных площадках (УП)
и временных пробных площадях (ВПП).
Результаты исследований. Большие объёмы
выбросов в атмосферу магнезитовой пыли
значительно повышают показатель рН почвы.
Установлено, что показатель рН почвы в верхних
корнеобитаемых горизонтах, как правило, на
две – три единицы выше фонового уровня на
расстоянии до 3 км в сторону основного сноса
выбросов – на северо-восток, восток (ОУ-2,
ОУ-5) от комбината «Магнезит» (табл. 1). На
расстоянии от 3 до 20 км реакция почвенного
раствора слабощелочная либо близка к нейтральной. Вне очага загрязнения почвы в данном
районе в основном слабокислые. Известно, что
при щелочной среде в почве снижается подвижность, а следовательно, и доступность растениям
железа, марганца, фосфора, кобальта.
Содержание легкогидролизуемого азота, по
данным за 2010 г., в корнеобитаемом слое почвы
составляло от 73 до 283 мг/кг почвы, что, согласно
литературным данным, вполне достаточно для
успешного роста древесных растений. Анализ
содержания обменных катионов в почве показал
значительное увеличение обменного магния, что
может вызывать в почве явление солонцеватости
и отрицательно влиять на растения. Увеличение
содержания обменного магния по отношению
к кальцию вверх по профилю почвы, а также
сопоставление данного показателя с фоновыми
показателями указывают на техногенный характер данного процесса. Вне очага загрязнения
в почвах обменного кальция в несколько раз
больше, чем магния.
Химический анализ образцов снега, взятых
в конце зимы из района г. Сатки, показал, что
в снеговой воде значительно повышен показатель рН, особенно в радиусе 3 км от источника
выбросов (табл. 2). Здесь также накапливается
большое количество магния – до 5359 мг/м2.
Остальных элементов – на два порядка меньше.
Результаты химического анализа почвенных
и снеговых образцов показали значительные
изменения химизма почвы в очаге загрязнения,
которое заключается в повышении показателя
рН на 2–3 единицы, накоплении магния и не-
223
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
3. Содержание элементов в фильтрате снеговой воды, 2011 г.
Макроэлементы в фильтрате, мг/м2
ОУ/ расстояние
от источника выбросов, км
Са++
Mg++
K+
Na+
ОУ-2 / 1
ОУ-5 / 3
ПП-7К / 20
Контроль/25
27,03±0,1
54,28±1,8
12,55±0,4
90,04±9,5
3277,26±81,6
5359,06±65,7
373,151±38,3
117,50±3,6
27,66±1,6
24,81±1,42
21,48±1,3
48,46±4.7
28,24±3,8
23,41±2,2
42,49±2,02
231,88±17,07
4. Содержание тяжёлых металлов в фильтрате снеговой воды, 2011 г.
ОУ/ расстояние
от источника выбросов, км
ОУ-2 / 1
ОУ-5 / 3
Контроль ПП-7К / 20
Контроль/25
Микроэлементы в фильтрате, мг/м2
Fe
Cu
Zn
Ni
Mn
209,3±48,3 23,3±5,9
29,8 ± 7,0 10,8±1,76 18,4±6,07
393,5±191,9 58,6±39,1 187,5±149,3 7,7±0,53 66,9±45,43
191,7±31,5 19,6±3,3
73,4±25,2
4,2±0,47
80,1±3,35
244,4±40,2 26,2±3,4 111,0±22,6 5,4±0,71
85,2±9,01
которых тяжёлых металлов в почве (табл. 3).
Из тяжёлых металлов доминирует железо, затем
цинк, кобальт, медь (табл. 4). Все эти изменения
негативно отражаются на росте и жизненном
состоянии растений, а в импактной зоне приводят к гибели лесообразующих видов [3]. Уровень
загрязнения почвы характеризует «накопленное
воздействие» аэротехногенного загрязнения,
поскольку загрязняющие вещества сорбируются
в почвенный поглощающий комплекс на протяжении более 50 лет.
Выводы. 1. Анализ состава магнезитового сырья и технологии обжига показал, что в районе
г. Сатки на протяжении более 50 лет происходит
загрязнение приземного слоя воздуха и почвы
твёрдыми соединениями (в основном соединениями магния) и газообразными (оксидами
углерода и серы).
2. В зоне аэротехногенного загрязнения изменяется химический состав почв и значительно
возрастает показатель рН почвенного раствора,
Co
40,1±7,51
26,7±5,03
1,9±1,4
0,8±0,82
Cd
0,01±0,01
н/о
0,1±0,1
0,1±0,1
в импактной зоне – до 8,5–9,0. Нарушается
естественное соотношение между элементами
в почвенном поглощающем комплексе: среди
обменных катионов доминирует магний, а в
почвах вне зоны загрязнения – кальций.
3. Многолетнее изучение загрязнения снега
в районе г. Сатки не выявило снижения показателя рН снеговой воды и уровня загрязнения,
несмотря на значительное снижение объёмов
выбросов комбината «Магнезит».
Литература
1. Носырев В.И. Жизнеспособность сосновых насаждений,
ослабленных вредным воздействием магнезитовой пыли, и
роль стволовых вредителей в их усыхании // Растительность
и промышленные загрязнения. Охрана природы на Урале.
Вып. 5. Свердловск, 1965. С. 53–57.
2. Симонов К.В., Бочаров Л.Д., Устьянцев В.И. Об образовании и отложении в электрофильтрах сульфатов щелочных
и щелочноземельных металлов и фторида магния при обжиге магнезита во вращающихся печах // Огнеупоры. 1979.
№ 4. С. 23–27.
3. Менщиков С.Л., Ившин А.П. Закономерности трансформации предтундровых и таёжных лесов в условиях аэротехногенного загрязнения. Екатеринбург: УрО РАН, 2006.
295 с.
Влияние промышленного загрязнения тяжёлыми
металлами на дыхание лесной подстилки*
И.А. Сморкалов, к.б.н., Е.Л. Воробейчик, д.б.н., Институт
экологии растений и животных УрО РАН
Подстилка – ключевой компонент лесных
экосистем, отражающий баланс поступления и
разложения органического вещества. Именно в
ней сосредоточена основная часть микроорганизмов, участвующих в трансформации органики.
Лесная подстилка – это биогеохимический
барьер на пути поступления поллютантов в минеральные почвенные горизонты, поэтому при
промышленном загрязнении именно её свойства
меняются в первую очередь. В районах действия
заводов цветной металлургии неоднократно отмечали увеличение мощности подстилки в 2–4
раза [1], связывая это с подавлением первичных
деструкторов органики (крупных почвенных
сапрофагов) и её основных минерализаторов.
Почвенное дыхание (эмиссия СО2 с поверхности почвы) – важное звено цикла углерода в
наземных экосистемах; его определяет метаболическая активность почвенной микрофлоры,
___________________
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 11-05-01218), президиума РАН (проект 12-П-4-1057) и президиума УрО РАН (конкурс инновационных молодёжных проектов 11-4-ИП-345)
224