Презентация на тему: НЕГАТИВНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЫБРОСОВ ГРЭС НА АГРОЛАНДШАФТЫ В УСЛОВИЯХ ЦЕНТРАЛЬНОГО РЕГИОНА РОССИИ

Введение Введение Одним из последствий развития промышленного и сельскохозяйственного производства является трансформация природных циклов миграции вещества и связанное с этим ухудшение качества окружающей человека среды. Техногенное загрязнение через атмосферу (атмотехногенез) в последние годы становится одним из главных путей поступления элементов в ландшафты. При высокотемпературных технологических процессах образуются мельчайшие аэрозольные частицы (0,5…10 мкм), которые плохо улавливаются установками газоочистки и способны мигрировать в атмосфере на значительные расстояния. При этом с мельчайшими техногенными аэрозолями в атмосферу селективно поступают высокотоксичные тяжелые металлы (ТМ) с низкими кларками ― Pb, Cd, Hg и др. Попадая в организм человека в относительно небольших количествах, они не приводят к отравлениям, однако способны накапливаться в ряде органов и тканей, вызывая их разрушение, возникновение злокачественных опухолей, тератогенные и мутагенные эффекты, понижение сопротивляемости к инфекциям. С этим связан значительный интерес к изучению поступления и трансформации в ландшафтах техногенных ТМ, который обусловлен не только их токсическими свойствами, но также и тем, что данные элементы являются индикаторами антропогенного воздействия. Экологическая проблема, связанная с поступлением ТМ в ландшафты, наиболее обострена в регионах с большой степенью концентрации производства и населения, в т.ч. в Центральном регионе России. При этом влияние выбросов промышленных предприятий в большинстве случаев затрагивает сельскохозяйственно освоенные ландшафты в радиусе до 30 км от источника выбросов. Существует насущная необходимость разработки экологически обоснованных агротехнологий, направленных не только на получение сельхозпродукции, но и на учет негативных последствий техногенного воздействия.

Одной из крупнейших тепловых электростанций Центра России является Рязанская ГРЭС. На нее приходится 50…60% всего объема выбросов предприятий Рязанской области, включая и г. Рязань. Электростанция расположена в 80 км к юго-востоку от Рязани в местности со значительным развитием сельскохозяйственного производства (распаханность превышает 70% общей площади территории). Основные загрязняющие вещества (ЗВ), продуцируемые в процессе сжигания топлива ― оксиды серы и азота, а также ТМ, адсорбирующиеся на частицах угольной и мазутной золы. В прилегающие к предприятию ландшафты поступает лишь 7…10% газообразных компонентов выбросов (остальное включается в дальнюю атмосферную миграцию), в то время как 40…60% твердой фазы оседает в пределах зоны наибольшего воздействия. В связи с этим влияние РГРЭС на экосистемы прилегающей территории связано в первую очередь с атмосферным поступлением ТМ. Одной из крупнейших тепловых электростанций Центра России является Рязанская ГРЭС. На нее приходится 50…60% всего объема выбросов предприятий Рязанской области, включая и г. Рязань. Электростанция расположена в 80 км к юго-востоку от Рязани в местности со значительным развитием сельскохозяйственного производства (распаханность превышает 70% общей площади территории). Основные загрязняющие вещества (ЗВ), продуцируемые в процессе сжигания топлива ― оксиды серы и азота, а также ТМ, адсорбирующиеся на частицах угольной и мазутной золы. В прилегающие к предприятию ландшафты поступает лишь 7…10% газообразных компонентов выбросов (остальное включается в дальнюю атмосферную миграцию), в то время как 40…60% твердой фазы оседает в пределах зоны наибольшего воздействия. В связи с этим влияние РГРЭС на экосистемы прилегающей территории связано в первую очередь с атмосферным поступлением ТМ. Материалы и методы В качестве объектов исследования рассматривались основные компоненты агроландшафтов зоны воздействия Рязанской ГРЭС: почвы, растительность (в первую очередь сельскохозяйственная), поверхностные и грунтовые воды, донные отложения, осадки зимнего и летнего периодов. Начальным этапом работы явились полевые исследования текущего экологического состояния агроландшафтов с выявлением факторов и особенностей техногенеза. При этом в границах зоны наибольшего воздействия предприятия была сформирована сеть стационарных точек опробования, размещенных вокруг РГРЭС по радиально-концентрической сети (рис. 1). Во всех образцах объектов окружающей среды определялось валовое содержание ТМ атомно-абсорбционным методом по методике ЦИНАО с использованием экстрагента ― 5н. НNО3 (сорбированные и обменные формы экстрагировались соответственно 1н. НNО3 и ацетатно-аммонийным буфером с рН 4,8). Полученные данные подвергались математической обработке, а также использовались при составлении ландшафтно-геохимических карт.

На втором этапе исследований был заложен полевой опыт, целью которого является выбор экологически оптимального комплекса агромелиоративных мероприятий в техногенно загрязняемых агроландшафтах региона в условиях различного уровня загрязнения почв. Варианты опыта обосновывались по сумме атмосферных выпадений приоритетных загрязнителей (Рb и Cd) в зоне максимального влияния выбросов РГРЭС за 10, 20 и 30 лет (последний временной промежуток соответствует времени эксплуатации ГРЭС начиная с пуска первой очереди). Уровни загрязнения почв моделировались внесением на опытные площадки химически чистых солей ТМ в дозах, указанных в табл. 1. Изучался процесс транслокации ТМ в фитомассу кормовых трав, его закономерности и последствия. На втором этапе исследований был заложен полевой опыт, целью которого является выбор экологически оптимального комплекса агромелиоративных мероприятий в техногенно загрязняемых агроландшафтах региона в условиях различного уровня загрязнения почв. Варианты опыта обосновывались по сумме атмосферных выпадений приоритетных загрязнителей (Рb и Cd) в зоне максимального влияния выбросов РГРЭС за 10, 20 и 30 лет (последний временной промежуток соответствует времени эксплуатации ГРЭС начиная с пуска первой очереди). Уровни загрязнения почв моделировались внесением на опытные площадки химически чистых солей ТМ в дозах, указанных в табл. 1. Изучался процесс транслокации ТМ в фитомассу кормовых трав, его закономерности и последствия. Анализ результатов исследований Поступление 3В из атмосферы оценивалось на основе анализа их содержания в атмосферных осадках зимнего и летнего периодов. Оценка техногенного вклада в атмосферные выпадения ТМ осуществлялась при анализе соответствующих кривых распределения. Данный метод основан на том, что форма распределения, как весьма консервативный статистический показатель, отклоняется от нормальной функции лишь при наличии сильного и устойчивого внешнего воздействия. Было установлено, что в зоне воздействия РГРЭС ярко выраженными аномалиями распределения отличаются величины выпадений Pb и Cd (рис. 2). В дальнейшем определялась территориальная приуроченность аномалий. Выявлено, что зона максимума поставки атмотехногенных ТМ протягивается от водоразделов Среднерусской возвышенности на юго-западе через промплощадку ГРЭС по направлению преобладающего переноса выбросов. Это указывает на значительный рост выпадений поллютантов под влиянием техногенных выбросов и активизацию оседания аэрозолей ― носителей ТМ в местности с эрозионным рельефом.

В ходе исследований летних осадков был выявлен максимум атмотехногенного потока Pb на одном из водоразделов Среднерусской возвышенности, где уровень его выпадений достигает 100 кг/км2 в месяц, а концентрация в атмосферных аэрозолях превышает почвенный фон в 1000…4000 раз и достигает 41000 мг/кг, что характерно обычно лишь для выбросов предприятий цветной металлургии. Аналогичное обогащение отмечается и для Cd. Чрезвычайно высокая контрастность и значительная устойчивость во времени данного максимума красноречиво свидетельствует о потенциальной опасности, исходящей от выбросов угольных ТЭС, особенно ― при специфических условиях рассеяния примесей (пересеченный рельеф и малые скорости ветра при устойчивой стратификации атмосферы). В дальнейшем уровни выпадений данных ТМ были выбраны в качестве базовых при проведении экспериментальных исследований. В ходе исследований летних осадков был выявлен максимум атмотехногенного потока Pb на одном из водоразделов Среднерусской возвышенности, где уровень его выпадений достигает 100 кг/км2 в месяц, а концентрация в атмосферных аэрозолях превышает почвенный фон в 1000…4000 раз и достигает 41000 мг/кг, что характерно обычно лишь для выбросов предприятий цветной металлургии. Аналогичное обогащение отмечается и для Cd. Чрезвычайно высокая контрастность и значительная устойчивость во времени данного максимума красноречиво свидетельствует о потенциальной опасности, исходящей от выбросов угольных ТЭС, особенно ― при специфических условиях рассеяния примесей (пересеченный рельеф и малые скорости ветра при устойчивой стратификации атмосферы). В дальнейшем уровни выпадений данных ТМ были выбраны в качестве базовых при проведении экспериментальных исследований. В ходе почвенно-геохимических исследований выявлено техногенное влияние на содержание ТМ в почвенном покрове (в первую очередь в отношении Pb и Cd), проявляющееся, в частности, в наличии обширных аномалий в почвах, которые четко коррелируют с атмосферными выпадениями нерастворимых форм ТМ: коэффициент корреляции содержания Pb в почве с величинами его атмосферной поставки r = + 0,68, а содержание в почвах кадмия, по данным регрессионного анализа, на 62% определяется поступлением из атмосферы его нерастворимых форм, влияние других факторов незначимо. Атмосферные выпадения способствуют также росту сорбированных форм Рb и Cd; подвижность Сu и Zn не проявляет связи с техногенезом. При этом сельскохозяйственное освоение земель способствует активизации выноса мобильных форм ТМ из почвенного профиля (табл. 2), что связано с миграцией в процессе поверхностного и внутрипочвенного стока.

Регрессионный анализ (пошаговая регрессия) показал, что из всех факторов почвенной среды преобладающее влияние на миграцию ряда ТМ оказывают компоненты гумуса, в т.ч. образующиеся при дегумификации пахотных почв. Зафиксирован также рост биопоглощения ТМ в условиях низкой агротехники. Таким образом, при отсутствии почвенно-мелиоративных мероприятий происходит рост миграции загрязнителей в сопряженные с почвой среды ― грунтовые воды и фитомассу. Регрессионный анализ (пошаговая регрессия) показал, что из всех факторов почвенной среды преобладающее влияние на миграцию ряда ТМ оказывают компоненты гумуса, в т.ч. образующиеся при дегумификации пахотных почв. Зафиксирован также рост биопоглощения ТМ в условиях низкой агротехники. Таким образом, при отсутствии почвенно-мелиоративных мероприятий происходит рост миграции загрязнителей в сопряженные с почвой среды ― грунтовые воды и фитомассу. Как свидетельствуют результаты балансовых расчетов (табл. 3), в ландшафтах исследованного района сложился устойчивый положительный баланс поступления и выноса ТМ. При этом рассматриваемые элементы по преобладающим факторам миграции могут быть подразделены на две группы. Биогенная миграция абсолютно преобладает для Cu и Zn вследствие их концентрирования в продукции растениеводства и органических удобрениях, в связи с чем роль таких статей баланса, как выщелачивание и атмосферные выпадения относительно снижена. В то же время атмотехногенный привнос обеспечивает 80…90% поступления в ландшафты Pb и Cd, а основной фактор их выноса — водная миграция. Таким образом, общий характер миграции ТМ определяется в основном степенью их биофильности. По результатам исследований свинец и кадмий были признаны приоритетными загрязнителями ландшафтов зоны воздействия Рязанской ГРЭС, о чем свидетельствуют, в частности, значения коэффициентов деструкционной активности (соотношение атмотехногенного привноса и биопоглощения), характеризующие степень опасности элементов для биоты: для Cu и Zn 2,1…2,7, а для Pb и Cd — 31…105. Также определены территории, наиболее подверженные избыточному поступлению приоритетных токсикантов из атмосферы (рис. 3).

Полевые экспериментальные исследования. Полевой опыт заложен в мае 2003 г. на землях АОЗТ «Малинищи» Пронского района Рязанской области (темно-серые лесные почвы). Опытный участок не подвергается интенсивному атмотехногенному воздействию, и при этом почвенные условия соответствуют таковым в агроэкосистемах зоны воздействия РГРЭС. Варианты опыта моделируют развитие сельскохозяйственных культур при различных уровнях концентрации приоритетных загрязнителей (Pb и Cd) в почвах сельхозугодий в условиях применения тех или иных агромелиоративных приемов. Уровни внесения металлов в почву рассчитаны на основании данных полевых исследований их атмотехногенного потока в зоне воздействия РГРЭС (табл. 1). Полевые экспериментальные исследования. Полевой опыт заложен в мае 2003 г. на землях АОЗТ «Малинищи» Пронского района Рязанской области (темно-серые лесные почвы). Опытный участок не подвергается интенсивному атмотехногенному воздействию, и при этом почвенные условия соответствуют таковым в агроэкосистемах зоны воздействия РГРЭС. Варианты опыта моделируют развитие сельскохозяйственных культур при различных уровнях концентрации приоритетных загрязнителей (Pb и Cd) в почвах сельхозугодий в условиях применения тех или иных агромелиоративных приемов. Уровни внесения металлов в почву рассчитаны на основании данных полевых исследований их атмотехногенного потока в зоне воздействия РГРЭС (табл. 1). Как результат указанных процессов, отмечен значительный рост концентраций Pb и Cd в компонентах водных экосистем (табл. 4), которые являются, таким образом, наиболее уязвимым звеном в цепи миграции ТМ по ландшафтным средам. При разработке схемы опыта мы исходили из необходимости максимально использовать вещественно-энергетический потенциал агроландшафтов региона, а также ориентировались на результаты этапа полевых исследований, свидетельствующие о значительной опасности техногенного загрязнения свинцом и кадмием и возрастании данной опасности в условиях деградации пахотных почв по причине низкого уровня агротехники. В первый год исследований произведен посев однолетних кормовых трав (викоовсяная смесь) с подсевом многолетних; укос однолетних проводился 26 июля. Результаты исследования содержания ТМ в растительности по вариантам опыта представлены в табл. 5. Как свидетельствуют полученные данные, наибольшей концентрации Pb и Cd достигали при отсутствии агромелиоративных мероприятий (V вариант), причем на третьем уровне загрязнения содержание кадмия превышало ПДК в 1,3 раза, а свинца — в 11 раз. Применение извести (из расчета 6,5 т/га) и минеральных удобрений (нитрофоска) позволяло снизить общий уровень транслокации ТМ в фитомассу (в частности, под влиянием эффекта разбавления), но избежать превышения ПДК, тем не менее, не удалось.

Причина — повышение геохимической подвижности ТМ в почве при внесении азотосодержащих удобрений, а также рост стабильности комплексных соединений ТМ с низкомолекулярной органикой на первом, минимальном уровне загрязнения в варианте III с известью (при большей концентрации ТМ в почвенном растворе, очевидно, происходит их осаждение в составе малорастворимых карбонатов, что снижает корневое поглощение). Наиболее экологически оптимальный уровень концентраций ТМ достигался при внесении навоза КРС (из расчета 100 т/га), что свидетельствует о приоритетности проблемы улучшения гумусного состояния пахотных почв в целях снижения миграции токсикантов. Причина — повышение геохимической подвижности ТМ в почве при внесении азотосодержащих удобрений, а также рост стабильности комплексных соединений ТМ с низкомолекулярной органикой на первом, минимальном уровне загрязнения в варианте III с известью (при большей концентрации ТМ в почвенном растворе, очевидно, происходит их осаждение в составе малорастворимых карбонатов, что снижает корневое поглощение). Наиболее экологически оптимальный уровень концентраций ТМ достигался при внесении навоза КРС (из расчета 100 т/га), что свидетельствует о приоритетности проблемы улучшения гумусного состояния пахотных почв в целях снижения миграции токсикантов. Под влиянием агромелиоративных мероприятий и различного уровня внесения ТМ изменялась также урожайность кормовых трав (табл. 6 и рис. 4). При этом в ряде случаев рост загрязненности почвы опытных площадок приводил к росту биомассы растений (особенно в II и IV вариантах с применением минеральных удобрений), что, по нашему мнению, обусловлено часто наблюдаемым «тренирующим эффектом» загрязнителей. Однако возрастала и концентрация ТМ в фитомассе, что делало ее непригодной для скармливания сельскохозяйственным животным. Кроме того, урожайность на контрольных площадках в большинстве случаев была заметно выше, чем на опытных (рис. 4), в варианте с известью ― на 43,5 %. Минимальное снижение урожайности под влиянием токсикантов и оптимальное соотношение количества и качества фитомассы зафиксировано в варианте I с применением навоза. Выводы Таким образом, по полученным нами данным, аномально повышенными накоплением и миграцией во всех компонентах окружающей среды в зоне влияния выбросов Рязанской ГРЭС характеризуются свинец и кадмий, что позволило нам отнести их к приоритетным загрязнителям агроландшафтов. При этом внесение органических удобрений в загрязненные Pb и Cd почвы способно дать максимальный экологический эффект. Полевые и лизиметрические экспериментальные исследования, а также мониторинг атмотехногенного загрязнения агроландшафтов региона продолжаются.

Список литературы Список литературы 1. Экология энергетики: учеб. пособие / Под общ. ред. В.Я. Путилова. М.: Издательство МЭИ, 2003. 716 с. 2. Экологические аспекты мелиорации земель юга Нечерноземья / Под общ. ред. докт. с.-х. наук Ю. А. Мажайского, канд. техн. наук В. И. Желязко. М.: Изд-во МГУ. 2003. 319 с.