ВВЕДЕНИЕ
Ш
Актуальность исследований Одной из актуальных экологических проблем
планеты в последние десятилетия является увеличение выбросов
ф автотранспорта и другой мобильной техники в атмосферу, с которыми в
окружающую среду поступают тяжелые металлы, полиароматические углеводороды, оксиды углерода, азота, серы, сажа и другие токсичные соединения. При этом нарушается биотический круговорот, наносится ущерб здоровью населения, флоре, фауне, снижается устойчивость и продуктивность («) природных и природно-антропогенных экосистем.
В России значительные площади агроландшафтов подвергаются влиянию выбросов транспорта. Среди них большую долю занимают экосистемы,
• расположенные вдоль дорог, а также пахотные земли, из-за проведения на них
сельскохозяйственных операций.
В Рязанской области площадь земель сельскохозяйственного назначения составляет более 60 % территории области, из которых 2 % заняты дорогами. В то же время, по данным природоохранных организаций г. Рязани, доля выбросов транспорта составляет 50 % в суммарном объеме выбросов в атмосферу и увеличивается с каждым годом, что способствует прогрессирующей деградации почвенного покрова, снижению урожайности
Ф сельскохозяйственных культур и качества продукции.
В создавшейся ситуации необходимы комплексные мониторинговые исследования экологического состояния агроландшафтов, подверженных влиянию выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники, выявление приоритетных загрязнителей, масштабов их распространения в окружающей среде и оценка степени влияния токсикантов на компоненты биоценоза.
Цель и задачи исследований
^ Цель исследований - проведение мониторинга экологического состояния
агроландшафтов в зоне влияния выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники (на примере Рязанской области).
5
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-оценить степень влияния выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники на загрязнение атмосферного воздуха в ф агроландшафтах, выявить приоритетные загрязнители, масштабы их
распространения и воздействия на компоненты биоценоза;
-оценить экологическое состояние почв агроландшафтов, попадающих под влияние выбросов транспорта на автотрассах с различной интенсивностью движения;
(*, -экспериментально изучить влияние выбросов дизельного двигателя на
экологическое состояние темно-серой лесной почвы;
-провести эколого-экономическую оценку применения альтернативных • видов топлива в качестве одного из факторов, снижающего негативное
воздействие выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники на агроландшафты.
Научная новизна работы заключается в определении влияния выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники на экологическое состояние агроландшафтов.
Впервые установлены:
-зависимость биологической активности серой лесной почвы придорожных Ф экосистем от расстояния до автомагистралей с различной интенсивностью
движения и концентрации токсикантов в почве и атмосферном воздухе;
-экологическое состояние темно-серой лесной почвы под влиянием выбросов дизельного двигателя.
Практическая значимость
Установленные в ходе исследований размеры санитарно-защитных зон для агроландшафтов, подверженных влиянию выбросов транспорта, могут быть использованы при проектировании полей севооборота в придорожной зоне. ^ Выявленные зависимости биологической активности серой лесной почвы от
расстояния до автомагистралей, концентрации токсикантов в почве и атмосферном воздухе могут быть использованы при проведении мониторинга
экологического состояния агроландшафтов в зоне влияния выбросов
Ш
транспорта.
Положения, выносимые на защиту
ф Разработанный комплексный методический подход к изучению и оценке
взаимосвязей в системе атмосферный воздух-почва-биоценоз под влиянием выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники в агроландшафтах позволил установить:
-перечень приоритетных токсикантов и масштабы их распространения в 1Ы) атмосферном воздухе, почве;
-зависимость между расстоянием до дороги и биологической активностью почвы;
# -показатели экологического состояния темно-серой лесной почвы под
влиянием выбросов дизельного двигателя.
Апробация работы
Материалы диссертации использовались при выполнении работ по хоздоговорной тематике на тему: «Экологическая оценка почвенно-биотического комплекса земель сельскохозяйственного назначения и водных экосистем рязанской области», договор 11-2004 от 1.04.2004 в соответствии с планом НИР РГСХА.
Ф Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на
заседаниях кафедр «Технической эксплуатации транспорта» и «Агроэкологии, с.х. мелиорации и защиты растений» РГСХА им. П.А. Костычева, на научно-практических конференциях РГСХА (Рязань, 2003, 2004, 2005 гг.), молодежном форуме «Агробиотехнологии и экологическое земледелие (Владимир, 2005), международной научно-практической конференции «Экология, окружающая среда и здоровье населения Центрального Черноземья» (Курск, 2005), международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие ^ технологии земледелия» (Курск, 2005), на V международной конференции
молодых ученых и специалистов «Перспективные технологии для
7
современного сельскохозяйственного производства» (Курск,2005). По материалам диссертации опубликовано 4 научные статьи.
Структура и объем диссертации
ф Содержание работы изложено на 147 страницах машинописного текста.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка и приложений. Материалы диссертации проиллюстрированы 25 таблицами и 16 рисунками. Библиографический указатель содержит 138 источников, в том числе 20 иностранных.
ljdl Автор выражает признательность за научные консультации, ценные советы
и помощь в проведении исследований JI.1O. Макаровой
т
8
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 Экологические аспекты аэротехногенного загрязнения агроландшафтов выбросами транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники
Загрязнение окружающей природной среды (ОПС) выбросами транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники в агроландшафтах происходит в результате работы машинно-тракторных агрегатов в полевых условиях, а также под влиянием автомагистралей, проходящих по территории землепользования сельскохозяйственных предприятий. Ежегодно только тракторами и самоходными машинами (сельскохозяйственными, дорожно-строительными и другими) в РФ выбрасывается в атмосферу около 1,5 млн. тонн различных загрязняющих веществ, что в 5 раз превышает выбросы ТЭЦ и в 3 раза выбросы промышленных предприятий [44, 13,49].
По данным природоохранных организаций уровень загрязнения атмосферного воздуха в г. Рязани и области характеризуется как высокий. Средние концентрации по диоксиду азота, бенз(а)пирену, оксиду углерода и фенолу за 2003 год превышают среднегодовые концентрации по стране [21].
Количество вредных веществ, поступающих в окружающую среду с выбросами транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники, зависит от многих факторов: типа двигателя, типа и качества топлива, режима движения автомобиля, его конструкции, состояния дорог, технического состояния транспортных средств.
Вещества, содержащиеся в выбросах транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники, образуются в результате горения топлива в двигателях внутреннего сгорания, износа поверхностей деталей из-за трения. В их составе можно выделить следующие соединения:
- нетоксичные (4 класс опасности)- азот, кислород, пары воды, двуокись углерода;
9
-токсичные (1, 2, 3 класс опасности) - углеводороды (до 200
наименований), в том числе полиароматические (бенз(а)пирен), альдегиды,
оксиды азота (до 10 наименований), сажа, оксиды серы и сероводород, твердые
ф частицы (оксиды металлов, кремния, сульфаты, нитраты, соединения свинца,
фенолы) [48, 44].
Загрязняющие вещества, источниками которых являются транспортные
объекты, распространяются и накапливаются во всех компонентах биосферы
(воде, воздухе, почвах, растениях, животных). Оксиды серы в атмосфере
попадают на поверхность почвы в виде кислотных дождей. Накопление
оксидов азота (NOX), диоксида углерода (СОг), метана (СНД озона (О3) в
• совокупности с хлорорганическими соединениями вызывает климатические
изменения регионального и планетарного масштаба («парниковый эффект»).
Основным каналом стока загрязняющих веществ из атмосферы и их последующего поступления в наземные экосистемы является почва -неотъемлемая часть любого наземного биогеоценоза и биосферы в целом.
Загрязнение почвы выбросами транспорта и мобильной у сельскохозяйственной техники связано с их составом. На поверхности почвы
осаждаются тяжелые металлы, ПАУ, оксиды серы, азота, сажа и другие ф токсичные соединения [48, 36, 80].
По составу и содержанию отдельных компонентов почвенный воздух близок к атмосферному, что обусловлено непосредственным контактом через почвенные поры. Постоянно и постепенно протекающий газообмен направлен на выравнивание их составов. Обновление воздуха в пахотном слое происходит почти полностью каждый день. Количественные различия в составе почвенного и атмосферного воздуха определяют градиент концентрации отдельных их компонентов. Пока этот градиент существует, через свободные от воды ф почвенные поры происходит диффузионное передвижение газов в сторону
меньшей их концентрации. Градиент концентраций между почвой и атмосферой поддерживается благодаря интенсивной деятельности почвенной
10
биоты. Главную роль в газообмене системы почва-атмосфера играет диффузия, а подчиненную, но для некоторых условии весьма существенную, - конвекция. Последняя больше связана с разностью температур почвы и воздуха,
ф изменениями барометрического давления, влиянием ветра, выпадением осадков
и изменением уровня грунтовой воды и верховодки. Величина же диффузии зависит от природы диффундирующих газов и свойств почвы (содержание гумуса, порозность, влажность, температура и др.) [20].
С увеличением молекулярной массы газообразных органических веществ
(*N и количества функциональных групп в молекулах, содержащих азот, фосфор,
кислород, серу, возрастает скорость абсорбции. Абсорбция легких углеводородов почвой зависит также от видового состава почвенных бактерий
• и интенсивности микробиологических процессов, протекающих в почве [121].
Почвы обладают значительной сорбирующей способностью по отношению к оксидам серы. К числу факторов, способствующих лучшему поглощению диоксидов серы почвой, относятся повышенное содержание органического материала в почве, присутствие в ней карбонатов кальция, ее влажность, дисперсность и кислотность, а также населенность микроорганизмами.
Ф Установлено, что поглощение из атмосферы диоксидов серы происходит с
большей скоростью, чем поглощение оксидов углерода. Оксид азота окисляется
ф в почве до диоксида азота, причем в почвах с высокой кислотностью оксид
азота менее устойчив, чем в щелочных. Было найдено, что скорость выведения диоксида азота из атмосферы, меньше, чем скорость выведения диоксида серы. По данным многих исследователей концентрация канцерогенного бенз(а)пирена в сельскохозяйственных почвах на глубине 10 см может в 60 и более раз превышать предельно-допустимое значение [129. 128, 136, 138]. Увеличение содержания токсиканта под влиянием выбросов мобильной сельскохозяйственной техники может происходить в течение небольшого
ф отрезка времени (вегетационный период). Например, при работе трактора МТЗ-
80 в течение вегетационного периода концентрация бенз(а)пирена в почве увеличилась в 3 раза по сравнению с. допустимым нормативом и достигла
11
значений 59,05 мкг/кг в открытом грунте, 79,96 мк/кг - в теплице. [47, 60].
Ш
Период полураспада бенз(а)пирена колеблется от 2 до 694 суток в почвах с
концентрациями БП от 0,0014 до 9100 мг/кг [132]. Очень высокая стойкость БП
# и его производных в окружающей среде ведет к постепенному накоплению этих веществ в почве и приводит к аккумуляции БП в сельскохозяйственных культурах [4].
По данным многих авторов [6, 74, 83]. в почвах придорожных зон наиболее интенсивно накапливаются валовые и подвижные формы свинца,
(*' серебра, цинка и, в меньшей степени - меди, олова, хрома, молибдена,
кобальта, железа. В условиях мегаполиса ТМ аккумулируются в непосредственной близости от автодороги (15-20 метров) и на удалении 50-100. На открытых пространствах отмечается накопление тяжелых металлов на расстоянии 150 метров от дорожного полотна. На участках транспортных магистралей, окруженных открытым пространством, а затем лесом, заметно проявляется экранный эффект леса. На его границе накопление транспортного загрязнения в почвах обычно достигает наибольшей величины.
Установлено, что 75 % свинца, содержащегося в топливе, выделяется в
'Yd воздухе и быстро рассеивается. Наиболее активной является крупная фракция,
загрязняющая почвы от 5 до 100 м от края дорожного полотна. Наиболее
# мелкие частицы с током воздуха переносятся на большие расстояния. Рассеяние в воздухе частиц, содержащих ТМ, сильно зависит от метеообстановки и направления ветра.
Общеизвестно, что загрязнение почвы ТМ приводит к нарушению ее экологических свойств. При содержании ТМ в концентрациях более 10 ПДК, ухудшается структура почвы, увеличивается плотность, уменьшается общая пористость, снижается водопроницаемость, ухудшается водно-воздушный режим, усиливаются процессы эрозии и дефляции, что делает невозможным
# выполнение почвой своих функций [35, 23, 42, 122, 123]. Высокие дозы ТМ щ вызывают алифатизацию гумуса, что ведет к увеличению содержания
углеводов, гидролизуемости гумуса, степени окисляемости гумуса и
12
соответственно значений С^уса [9, 23]. Загрязнение почвы ТМ влияет и на качественный состав гумуса, в основном снижая содержание гуминовых кислот и увеличивая содержание фульвокислот [26, 18,], приводит к увеличению
• фитотоксичности почвы [18, 33, 35].
Под влиянием химического загрязнения почвы ТМ может изменяться общая численность, видовой состав и активность почвенной микробиоты [43, 46, 8, 82]. Как правило, ТМ ингибируют процессы азотфиксации, аммонификации и минерализации [31, 133] снижают ферментативную
(^' активность почв. Однако, данные по изучению влияния выбросов транспорта и
мобильной сельскохозяйственной техники на биологическую активность почвы в зависимости от интенсивности движения на дорогах, вида транспорта, топлива практически отсутствуют в научной литературе. В то время, как показатель биологической активности может использоваться для индикации экологического состояния почв в агроландшафтах, подверженных влиянию выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники.
Загрязнение атмосферы приводит к различным • нарушениям развития сельскохозяйственных растений и древесных фитоценозов придорожных
У/ лесополос, вызывая сокращение сроков вегетации, уменьшение площади
ассимилирующих органов, торможение ростовых процессов. Первыми в
^ наибольшей степени повреждаются листья, осуществляющие интенсивный
газообмен. Видимые повреждения обнаруживают по потере ранее свойственной листьям окраски, изменению формы листовой поверхности, появлению вздутий, некротических пятен Токсичные газы, входящие в состав транспортных выбросов (SO2, NO2 и др), а также образующиеся в результате фотохимических процессов (Оз), адсорбируются на поверхности листьев и через устьица проникают в клетку, подкисляя клеточное содержимое. Это вызывает изменение свойств биоколлоидов, что отражается на биохимических
^ и физиологических процессах в растительном организме. Под влиянием кислых
^ газов SO2 и NO2 разрушается хлорофилл и образуется феофитин, вызывающий
побурение тканей. При действии кислых газов на листьях появляются ожоги
13
или лист светлеет от разрушения хлорофилла. Характерные признаки действия на растения двуокиси азота - периферическое повреждение листьев, скручивание их вовнутрь, коричневая окраска на завершающем этапе. Эти повреждения приводят к появлению признаков ксероморфизма у растения [4, 48,59].
Присутствие в атмосфере NO2 в концентрации 0,08 мг/м3 и более задерживает рост и развитие овощных культур, снижает их урожайность и товарность овощей. Чистая двуокись азота и смесь газов вызывают изменение морфологических и анатомических признаков листьев овощных культур — размер и форма, толщина листовых пластинок на 5-30 %, снижают всхожесть сельскохозяйственных культур [62, 16, 17]. Выхлопные газы дизельного двигателя, в составе которых содержится повышенное содержание диоксидов азота, серы, сажи, вызывают потерю тургора сельскохозяйственных растений и образование некрозов, снижение процесса фотосинтеза и продуктивности фитоценозов [12].
Симптомами видимого повреждения растений озоном являются пигментные пятна, обесцвечивание и побеление верхушки листа, посеребрение его нижней поверхности, хлоротические полоски. При острых повреждениях происходит отмирание верхних покровов листа. При хронических повреждениях листья желтеют, затем пожелтевшие участки обесцвечиваются до полного разрушения хлорофилла. Под влияние озона происходит снижение урожайности сельскохозяйственных культур на 5-10 %. Наиболее чувствительными к воздействию озона являются редис, картофель, томат, табак, люцерна, шпинат, устойчивыми - морковь, сахарная свекла, земляника, можжевельник [62].
При небольших концентрациях SO2 в воздухе растения растут и развиваются нормально, но после превышения порогового значения, разного для различных растений, замедляется рост, повреждаются листья и ослабляется растение в целом. Это приводит к снижению урожая. По исследованиям в аэродинамических трубах, создающих движение воздуха со скоростью
14
25м/мин, воздействие SO2 в течение 4 недель привело к уменьшению числа побегов и листьев ежи сборной и уменьшению площади листовых пластинок на 32-35 % по сравнению с контролем. Снижение урожаев сельскохозяйственных
ф культур под воздействием загрязнения воздуха SO2 отмечают многие
исследователи. Так, в Великобритании обнаружено уменьшение на 64 % укосов райграса пастбищного под действием SO2 в концентрации 43 мкг/м3.
Содержащийся в выбросах транспорта бенз(а)пирен, аккумулируется в сельскохозяйственной продукции. Наибольшее их количество накапливается в 1^, клубнях картофеля, качанах капусты, кормовой свекле на расстоянии до 60
метров от автодороги [53].
Таким образом, автомобильные дороги и автотранспорт - неотъемлемый
• элемент современных урбанизированных ландшафтов. Дороги пересекают
практически все виды биотопов, создавая инфраструктурную сеть с постоянно растущим воздействием на природную среду. Экологическая политика в вопросах автомобилизации территорий должна быть основана на признании главенства природных экосистем.
, 1.2 Оценка экологического состояния агроландшафтов
'У*
под влиянием выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной
Ф техники
Оценка воздействия выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники на окружающую среду основывается на санитарно-гигиенических и экологических нормативах, регламентирующих содержание отдельных токсикантов в воздухе, воде, почве, биоте [48]. Основой санитарно-гигиенического нормирования являются предельно-допустимые концентрации (ПДК), которые разрабатываются для защиты организма человека и не имеют целью защиты природных комплексов. Для оценки
ф загрязнения атмосферного воздуха на основе гигиенических ПДК
рассчитываются предельно допустимые выбросы (ПДВ) промышленных, транспортных предприятий. Расчет основан на положении, что загрязнение
15
воздуха в любой точке зоны распространения газов не должно превышать установленных максимально разовых ПДК. При этом, однако, не учитывается более высокая, чем у человека, чувствительность растений и экосистем к загрязнителям [59]. В таблице 1 представлены санитарно-гигиенические и экологические нормативы типичных для ОГ двигателей внутреннего сгорания токсичных веществ в атмосферном воздухе.
Таблица 1
Максимально разовые ПДК загрязнения атмосферного воздуха (по B.C. Николаевскому, 1998)
Загрязняющие вещества Максимально разовые ПДК, мг/м3
для человека для растений для биосферы
Диоксид серы 0,5 0,02 0,02
Двуокись азота 0,085 0,02 0,02
СО 3,0 4000 3,0
Сажа 0,015 - -
В качестве критерия экологического нормирования необходимо использовать показатель предельно-допустимой экологической нагрузки (ПДЭН) - уровень, при котором сохраняется нормальное функционирование экосистемы [4]. Величина нагрузки должна соответствовать критической точке зависимости «доза-эффект» на уровне экосистем и выражаться в относительных единицах (кратность превышения фонового уровня), а не концентрации отдельных веществ.
В качестве показателя интегральной нагрузки транспорта на экосистему могут выступать безопасное расстояние от участка дороги или транспортного предприятия, специальные индексы в виде отнесенных к экстремальным величинам концентраций примесей в депонирующих средах, либо реакции биотестов [48].
16
Источником информации о фактическом загрязнении окружающей среды являются натурные исследования, основанные на химических и биологических методах анализа [79]. При этом особое место должны занимать методы
# биотестирования, адекватно отражающие состояние экосистем по реакции живых организмов: растений, животных, микроорганизмов.
Из наиболее объективных показателей биодиагностики техногенной загрязненности почв сельхозугодий первостепенное значение имеют состав и численность отдельных таксономических групп почвенных микроорганизмов. tf. И это понятно, поскольку почвенные микроорганизмы, во-первых, находятся в
начале трофической цепи, по которой вещества-загрязнители попадают в растения; во-вторых, почвенные микроорганизмы являются обязательным
• компонентом всех видов агроценозов; в-третьих, почвенные микроорганизмы наиболее чутко реагируют на все негативные качественные изменения почв при их техногенном загрязнении [78,79,80]. Информативными показателями устойчивого состояния почвенной микрофлоры могут служить следующие: численность спорообразующих аммонификаторов, микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота; микромицетов и денитрификаторов;
у активность почвенных ферментов, видовая характеристика микробоценоза [54].
Для оценки загрязнения почв тяжелыми металлами, критериями могут
ф служить фоновые геохимические характеристики почвообразующих пород, на
которых сформированы почвы исследуемого региона. Для оценки загрязнения разработаны группировки, согласно которым почвы, имеющие содержание ТМ, равное или меньшее регионального, считаются не загрязненными.
Во время взаимодействия различных элементов также происходит наложение действия одних элементов на действие других, при этом возможно усиление токсичности загрязнителей. В качестве основного критерия экологического нормирования взят суммарный индекс загрязнения почвы ТМ
ф (Zc), который рассчитывается:
?&-(ii-l) (1)
17
где: n-число определяемых ингредиентов;
Кс - коэффициент концентрации элемента (вещества), определяемый отношением его содержания в загрязненной почве к фоновому.
ф Из выше изложенного можно сделать вывод, что при оценке состояния
окружающей природной среды под влиянием выбросов транспорта и мобильной сельскохозяйственной техники наиболее информативными являются биологические методы, основанные на реакции живых организмов на влияние токсикантов.
1.3 Мероприятия по снижению токсичного действия выбросов транспорта на окружающую природную среду
В соответствии с нормативными документами [115, 116] мероприятия по снижению негативного воздействия антропогенных выбросов на окружающую среду можно разделить на следующие:
1. Планировочные
2. Лесомелиоративные
3. Организационные Уг 4. Инженерные
Планировочные мероприятия
Организация санитарно-защитных зон (СЗЗ) производится вокруг источников выброса для отделения последних от жилых застроек, ландшафтно-рекреационной зоны. Ширина зоны устанавливается с учетом санитарной классификации, результата расчетов ожидаемого загрязнения атмосферного воздуха и уровня физических воздействий, а для действующих предприятий -натурных исследований (СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03) [118]. Нормативы по параметрам СЗЗ (включающих лесополосу) вдоль автомобильных дорог, в _ зависимости от интенсивности движения автотранспорта (объемов
пылегазовых выбросов), в настоящее время не разработаны. В методической литературе нормативы по параметрам носят рекомендательный характер. |
