93

Введение

Устойчивый рост основных экономических показателей Казахстана в последние годы во многом обеспечен развитием добывающих и перерабатывающих отраслей. Дальнейшее повышение деловой активности, связанное с разведкой,добычей,переработкойитранспортировкой минеральных ресурсов, неизбежно приводит к интенсификации негативного воздействия на почвенный покров, атмосферный воздух, поверхностные и подземные воды, флору, фауну и на здоровье населения. Известно, что в мире нет другой отрасли хозяйства, которую можно было бы сравнить с горнодобывающей промышленностью по силе негативного воздействия на природные ресурсы. Горнодобывающая про-

мышленность в нашей стране характеризуется возрастающими объемами добычи полезных ископаемых открытым способом. К негативным последствиям открытых разработок относится изъятие значительных земельных площадей из сельскохозяйственного оборота и их нарушение при ведении горных работ, изменение гидрогеологических условий района ведения горных работиеголандшафтов,развитиеэрозионныхпроцессов,атакжеперемешиваниепородсвыносом на поверхность неплодородных и даже токсичных пород. В процессе горнодобывающего производства образуются и быстро увеличиваются площади, нарушенные горными разработками, отвалами пород и отходов переработки, которые в свою очередь представляют собой бесплодные поверхности, отрицательно влияющие на окру-

жающую природную среду. Все нарушенные земли являются опасным источником заражения больших площадей токсичными элементами и тяжелыми металлами в формах, доступных для животных и человека. Горное производство является самым природоемким. В его процесс вовлечены все виды природных ресурсов: недра, земля, леса, вода, атмосфера. Одни эксплуатируются, другие нарушаются, вызывая те или иные экологические последствия в агроландшафтах

[1, 2, 3, 4].

В Восточно-Казахстанской области в начале 2015 года техногенно-нарушенные земли составили 12 602 тыс. га, отработанные земли – 5120 тыс. га. В конце 2015 года техногенно-нарушен- ные земли составили 12784 тыс. га, увеличились на 182 тыс. га, отработанные земли – 5134 га, увеличились на 14 га [5].

На экологическое состояние и здоровье населения города Риддер оказывает воздействие целый ряд факторов различного генезиса и степени проявления. Их можно объединить в несколько групп. Прежде всего, выделяется группа природных факторов, к которым необходимо отнести природно-климатические и геологические условия, и группа техногенных факторов, среди которых наибольшую роль играют производственная деятельность промышленных предприятий и выбросы транспорта. Среди промышленных предприятий главными загрязнителями являются Риддерский свинцово-цинковый комбинат. Производственные площадки находятся в черте города в пределах промышленной зоны. Производственная деятельность предприятий, оказывающая неизбежное неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье населения, является жизненно важной для формирования социально-экономических условий, которые, в свою очередь, оказывают решающее значение на состояние здоровья населения. В связи с этим, изучение воздействия различных факторов на окружающую среду и принятие мер по снижению неблагоприятного воздействия этих факторов необходимо осуществлять с учетом их взаимовлияния. Антропогенное загрязнение почвы химическими элементами отрицательно отражается на растениях. Попадая в растение, тяжелые металлы подавляют нормальный ход метаболических процессов, тормозят развитие, снижают продуктивность, делают непригодной и опасной растительную продукцию для потребления животными и человеком [6, 7].

Почвы являются природным накопителем тяжелых металлов в окружающей среде и основным источником загрязнения сопредельных сред, включая высшие растения. Тяжелые металлы находятся в почве в виде различных химических соединений. В почвенном растворе они присутствуют в форме свободных катионов

иассоциатов с компонентами раствора. В большинствесвоемэтонепрочныесоединения,называемые слабыми комплексами. В твердой части почвы тяжелые металлы находятся в форме обменных катионов и поверхностных комплексных соединений, в виде примесей в структурах глинистых минералов, в форме собственных минералов, устойчивых осадков малорастворимых солей [8, 9].

Тяжелые металлы, поступающие на поверхность почвы, накапливаются в почвенной толще, особенно в верхних гумусовых горизонтах,

имедленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии. Первый период полуудаления тяжелых металлов значительно варьируется у различных элементов и занимает весьма продолжительный период времени: для цинка – от 70 до 510 лет; кадмия – от 13 до 110 лет, меди – от 310 до 1500 лет, свинца – от 770

до 5900 лет [10].

В.И. Вернадский указывал на тесную связь между элементарным химическим составом организмов и земной корой [11]. Хорошо известно при этом, что в одних и тех же растениях содержание химических элементов может быть различным. Это зависит от неодинаковых концентраций в почве их подвижных соединений. У растений для сохранения благоприятных для жизнедеятельности концентраций элементов имеется некая защитная система. Но, не смотря на присутствие такой системы, при избыточном поступлении из почвы ионов химических элементов, растения деградируют и погибают. Целью исследования является выявить и оценить загрязнение почвы и растений компонентами выбросов цинкового завода.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования являются терри-

тории, находящиеся под влиянием выбросов предприятий перерабатывающей горнорудной промышленности г. Риддера ВКО. Влияние цинкового завода на окружающие ландшафты. Цинковый завод расположен в черте города (Рисунок 1).

По результатам наших исследований, в районе расположения цинкового завода установлено, что содержание валового свинца в верхнем 10-см слое почвы превышает ПДК в 1,68 раз. Цинка – в 25,46 раз, меди – в 1054,6 раза, кадмия

– в 440,9 раз, особенно средняя и нижняя части участка сильно загрязнены тяжелыми металлами, так как территория имеет большой уклон к речке Тихая. Наблюдается высокое содержание тяжелыхметалловвпочвах.Геохимическийаномальные регионы в почве содержат значительное количество химических элементов. Многие виды растений адаптированы к таким условиям, но когда на растения и окружающую среду влияют техногенные выбросы горнорудных заводов и обогатительных фабрик, на больших территориях почвенный покров лишается растительного и древесного покрова. Выбросы предприятий цветной металлургии переносятся на большие расстояния. Отмечается накопление тяжелых металлов в почве и растениях в радиусе 10 – 15 км и дальше от источника загрязнения.

Растения – один из наиболее чутких индикаторов техногенного изменения среды. Они показывают изменение экологической обстановки

под воздействием разных факторов и поэтому широко используются при оценке загрязнения окружающей среды [14]. Растительный покров находится под мощным техногенным прессом поллютантов, поступающих из воздуха и загрязненных почв. Часть из них необходима для обменных процессов в растениях, однако увеличение их концентрации становится токсичным для растений, другие металлы, такие как Pb, Cd и т. д., токсичны даже в низких концентрациях [15]. Понекоторымданным,загрязнениелуговойрастительности Pb и Zn фиксируется на расстоянии до 12 км от свинцово-цинкового предприятия [16]. Вблизи цинкового завода (1 км) накопление этих металлов в почве так велико, что возделывание каких-либо культур на корм животным илидляпринятияихвпищуопаснодляздоровья человека и животных.

Тяжелые металлы прочно сорбируются и взаимодействуют с почвенным гумусом, об-

разуют труднорастворимые комплексные соединения. Таким образом, идет их накопление впочве.Нарядусэтимвпочвеподвоздействием различныхфакторовпроисходитпостояннаямиграция попадающих в нее веществ и перенос их

на большие расстояния [18]. Тяжелые металлы, попадающие в почву с выбросами предприятий, прочно связываются уже в верхнем слое. Максимальное содержание металлов в почвах наблюдается на расстояниях 1–3 км от источников загрязнения [19]. Менее устойчивы к его избытку злаки, устойчивы – бобовые растения. Наименее стойкими к загрязнению свинцом растениями являются виды клена, лук репчатый и ежа сборная. Концентрация свинца выше 10 мг/кг сухой массы является токсичной для большинства культурных растений. Рядом авторов установлено легкое поглощение растениями таких ионов, как Cd, Br, Cs, в то время как Pb медленнее других тяжелых металлов поступает в растения и транспортируется в наземные органы [20, 21].

Различные растения сосредоточивают в себе разное число микроэлементов: в большинстве случаев – избирательно. Так, медь усваивают растения семейства гвоздичных, кобальт – перцы. Высокий коэффициент биологического поглощения цинка характерен для березы карлико- войилишайников,никеляимеди–длявероники и лишайников. Тяжелые металлы являются протоплазматическимиядами,токсичностькоторых возрастает по мере увеличения атомной массы. Их токсичность проявляется по-разному. Мно-

гие металлы при токсичных уровнях концентраций ингибируют деятельность ферментов (медь, ртуть). Некоторые из них образуют хелатоподобные комплексы с обычными метаболитами, нарушая нормальный обмен веществ (железо). Такие металлы, как кадмий, медь, железо, взаимодействуют с клеточными мембранами, изменяя их проницаемость [22].

Разные виды растений обладают неодинаковой способностью накапливать свинец, что широко применяется для снижения неблагоприятного воздействия на городские фитоценозы и использования их в качестве перспективных аккумулянтов – фиторемедиантов. Нормирование содержания тяжелых металлов в почве и растениях является чрезвычайно сложным изза невозможности полного учета всех факторов природной среды. Так, изменение только агрохимических свойств почвы (реакции среды, содержания гумуса, степени насыщенности основаниями, гранулометрического состава) может в несколько раз уменьшить или увеличить содержание тяжелых металлов в растениях. Имеются противоречивые данные даже о фоновом содержании некоторых металлов. Приводимые исследователями результаты различаются ино-

гда в 5-10 раз [12].

Под воздействием выбросов и накопления тяжелых металлов территория подверглась усиленной деградации, со временем образовав техногенную пустыню. Естественная флора ограничивается двумя-тремя видами, а на отдельных участках образуются моноценозы. На территории экспериментального участка сохранились фрагменты травянистого яруса, представленного тремя видами: вьюнок полевой – Convolvulus arvensis L., пырей ползучий – Agropyron repens и вейник наземный – Calamagróstisepigéios. Отсут-

ствие травянистого покрова приводит к деградации почвы, вымыванию поверхностного слоя, образованию характерных канав и небольших оврагов. Проективное покрытие низкое, составляет от 10 до 20%. Возле экспериментального участка сохранились 11- и 23-летние посадки древесно-кустарниковых пород, состоящие из

Populus tremula L. – тополь дрожащий, Salix alba Tristis – ива белая, Populus acuminata Rydb.

– тополь сизый, Syringa josikaea – сирень вен-

герская и Caragana arborescens Lam. – карагана древовидная. Подавляющая часть растений находится в угнетенном состоянии. Под влиянием токсичных выбросов на листьях образуются ожоги, изменяется жизненная форма в сторону уменьшения габитуса, наблюдается усыхание ветвей и осевых побегов культур, ослаблено ве-

гетативное и генеративное развитие. К примеру, сухие и полусухие ветви в кроне ивы желтой достигают от 30 до 80 %, годовой прирост тополей и сирени венгерской колеблется в пределах 2-6

(9) см.

Наш исследуемый опытный участок имеет с поверхности уклон 15-20°. Поэтому мы условно разделили территорию опытного участка на три части: верхнюю, среднюю и нижнюю (Рисунок 4). Наши данные показывают, что на участке в кустарниковой растительности (нижняя часть исследуемой территории) Pb превышает ПДК в

1241 раз, Zn – в 781 раз, Cu – в 11 раз, Cd – 2695

раз. В средней части участка в растениях тополя лавролистного (Рopulus laurifolia) ) содержание Pb превышает ПДК в 1580 раз, Zn – в 317 раз, Cu – в 5 раз, Cd – 1345 раз. В верхней части участка в растениях сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) Pb превышает ПДК в 670 раз, Zn – в 298 раз, Cu – в 5 раз, Cd – 1197 раз. Исследова-

ния на содержание тяжелых металлов показали, что в растениях, произрастающих на контрольных участках, расположенных в 25 км на север от завода, превышение содержания тяжелых металлов составляет в травах Pb – в 2,8 раз, Zn – в 3,3раз,Cu–в0,6раз,Cd–3,3раз.Вкустарниках

– Pb в 5,8 раз, Zn – в 3,6 раз, Cu – в 0,4 раз, Cd – 7,7 раз (рисунок 5).

Результаты факторного дисперсионного анализа данных содержания ТМ в растениях, произрастающих на контрольном и загрязненных участках, показали, что фактическая разница между вариантами больше НСР, значит различия между вариантами существенны. Вычисленные уровни значимости F-критерия дисперсионного анализа показали, что зависимости с высокой степенью достоверности не являются случайными. Рассчитанные значения t-критерия для растений с загрязненных территорий и незагрязненных территорий показали достоверность различий между выборками на 5%-ном уровне значимости (таблица 1 а, б).

Поступление тяжелых металлов в растения может происходит непосредственно из воздуха с

оседающейналистьяихвоюпыльюитранслокации из почвы: доля тяжелых металлов в составе пыли на поверхности листьев вблизи источника составляет в среднем 30 % от общего содержания в них тяжелых металлов. В понижениях и с наветренной стороны эта доля может доходить до 60 %. По мере удаления от источника роль атмосферного загрязнения заметно уменьшается [12]. У древесных растений значительные количества свинца накапливаются в листьях, коре и побегах [23, 24, 25].

Наши данные показывают, что при содержании в почве 100–500 мг/кг свинца наблюдается скручивание листьев сирени венгерской

(Syringa josikaea Jacq. fil) и черёмухи обыкно-

венной (Padus avium) (Рисунки 6, 7).

На опытном участке у высаженных культур характернослабоеоблиствлениекроныиповреждение краев листвой пластинки под влиянием атмосферных токсичных выбросов. Проведенный анализ состояния искусственных растительных сообществпозволяетконстатироватьопродолжающем высоком токсичном влиянии окружающей среды на приживаемость и вегетативное состояние растений. Наилучшая приживаемость отме-

чена у Syringa josikae Jacq. fil., Syringa amurensis Rupr., Syringavulgaris L., Syringa wolfii Schneid., Ulmus laevis Pall., Frangula alnus Mill. Напротив,

слабаяприживаемостьхарактернадляRosaacicularis Lindl., Rosa mollis Smith, Betula pendula Roth, Sorbariasorbifolia (L.)A.Br.,Caraganaarborescen Lam., Symphoricarpos albus (L.) Blake, Salix daphnoides Vill., Populus laurifolia Ledeb. В опытных посадках древесные культуры подвержены значительным повреждениям токсичными газами

в виде появления хлоротических пятен и усыхания листьев, почек, молодых побегов, деформации генеративных органов и плодов, изменения цвета коры, связанных с повреждением камбия, преждевременнойосеннейокраскойлиствыит.д. Несмотря на кратковременность проявления влияниякарбонизированногобиоугляизрисовойшелухи на нейтрализацию токсичных соединений и повышение устойчивости и приживаемости растений, можно констатировать о положительном влиянии. Для улучшения показателей требуется выявить необходимую дозировку биоугля, глубину возделывания и продолжительность влияния. Создание сорбционных барьеров возможно при комплексномприменениибиоуглясдобавлением минеральной подкормки, стимуляторов, фиторегуляторов и др. препаратов, улучшающих фи- зико-химический состав почвы и повышающих устойчивость растений.

Х034-1563 ISSN 7358-2617 ISSNе

2019 .(58) №1 .Ecology of Journal Eurasian

69

Таблица 1 – Результаты факторного дисперсионного анализа данных содержания ТМ в растениях, произрастающих на контрольном и загрязненных участках а) Таблица разложения дисперсииANOVA

70

2019 .(58) №1 .экологическая Серия .Вестник