Поступление загрязняющих веществ из атмосферы на территорию, прилегающую к промышленным предприятиям, является одной из причин, вызывающей изменение геохимического фона, что проявляется в ухудшении качества воздушной среды, деградации почв, снижении их плодородия и качества сельскохозяйственной продук ции. Особенно это актуально в зонах локального воздействия крупных источников загрязнения, оказывающих свое существенное воздействие далеко за пределами санитарных зон. Изучение вещественного состава техногенных потоков веществ, определение нагрузок поллютантов и воздействие их на почвы, а также познание процессов миграции-аккумуляции их в почвенном профиле необходимо, прежде всего, для показа негативной стороны этого явления, так как защита природной среды от загрязнения базируется главным образом на совершенствовании технологии, принципах организации и культуре производства.
Цель исследования – установить нагрузки приоритетных поллютантов на почвенный покров территории, прилегающей к алюминиевому заводу, выявить их динамику и уровни накопления в почвах, и внутри профильное распределение.
Материалы и методы исследования
Сбор полевых материалов и оценка влияния пылегазовых эмиссий на компоненты геосистем проводились по широкой комплексной программе основанной на принципах и методах геохимии ландшафта [1, 7].
Исследования проводились на территории Средней Сибири в зоне распространения пылегазовых эмиссий Братского алюминиевого завода (БрАЗа), выпускающего в год более 1 млн тонн алюминия. Техногенные нагрузки на почвенный покров за зимний период устанавливались по накоплению поллютантов в снежном покрове с пересчетом на сутки. Поступление веществ в течение года рассчитывалось умножением суточных нагрузок на число дней в году с учетом направления ветров [4]. Отбор и первичная подготовка проб почв к анализу проводились общепринятыми методами [3]. Количественный химический анализ массы твердого малорастворимого и растворимого в снеговой воде вещества, образцов почвы и почвообразующей породы выполнялся в сертифицированном химико-аналитическом центре Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН с использованием приборной базы Байкальского центра коллективного пользования и соответствующих утвержденных методик. Пробы анализировались на содержание 20-ти химических элементов – Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, Ti, Mn, P, F, Sr, Ba, Zn, Cu, Ni, Cr, Co, Pb, V. При этом применялись спектрометры: атомно-эмиссионный с индуктивно связанной плазмой Optima 2000 DV и атомно-абсорбционный с прямой электротермической атомизацией проб Analyst 400 фирмы Perkin Elmer [4].
Содержание фтора в снеговой воде, водных вытяжках (1:5), твердых аэрозолях и почвах выявлялось методом прямой потенциометрии на иономере «Эксперт-001» с помощью фторселективного электрода ЭЛИС 131F [8]
Для оценки изменения уровней содержания отдельных элементов в снеговой воде, взвесях, почвах и почвенных растворах (водной вытяжке) зоны загрязнения применялись коэффициенты концентрации (Кс = Са/Сф), где Сф и Са соответственно концентрации элемента в образцах фона и зоны загрязнения (техногенной геохимической аномалии). Коэффициенты концентрации использовались далее для расчета индекса суммарного загрязнения
,
где n – количество химических элементов с Kc > 1,5, который является информативным показателем изменений в ландшафтах под давлением техногенного пресса полиэлементного геохимического фона каждого компонента и элемента [11]. При санитарно-гигиенической оценке токсичности поллютантов использовались предельно допустимые концентрации (ПДК), химических веществ, установленные для почв [2].
Результатов исследования и их обсуждение
Многолетние исследования снежного покрова на территории, прилегающей к БрАЗу, показывают, что приоритетными химическими элементами-загрязнителями геосистем исследуемой территории являются фтор, натрий, алюминий и никель [4]. По сравнению с алюминием и натрием фтор более токсичен (I класс опасности) относительно почвенной биоты и в большом количестве поступает на почвенный покров, особенно в виде подвижных растворимых солей (рис. 1 а). Напротив, алюминий поступает преимущественно в составе твердого малорастворимого вещества, накапливаясь в почвах и являясь долговременным источником подвижного алюминия. Его годовые нагрузки (68-296 т/км2) примерно на порядок выше нагрузок фтора и натрия (рис. 1, б), что объясняется как степенью растворимости их солей, так и уровнем содержания в исходном техногенном веществе [5].
а б
Рис. 1. Динамика максимальных нагрузок приоритетных поллютантов вблизи алюминиевого завода: а – в составе растворимого вещества, б – в составе твердого вещества
Динамика потока поллютантов на прилегающую территорию во времени определяется, прежде всего, человеческим фактором – выполнением двух задач, которые заключаются в модернизации процесса производства алюминия с целью наращивания выпуска продукции и в удерживании отходящих пылегазовых примесей с целью соответствия экологическим нормам природопользования. После проведенных в 1996-1997 гг. на БрАЗе работ по внедрению технологии Soderberg, предусматривающей получение алюминия в электролизерах с самообжигающимися анодами, наблюдалась тенденция снижения нагрузок поллютантов, достигнув минимума к 2005 году (рис. 1). Увеличение выпуска продукции в 2008-2009 годах до рекордной величины 1 млн тонн алюминия в год соответственно усилило поток поллютантов в природную среду. Особенно это показательно относительно твердых и растворимых фторидов. К 2015 году проблема удерживания твердых фторидов, в какой то степени была решена, но очистка газообразной составляющей, судя по увеличению водорастворимых фторидов (рис. 1, а) еще находится в стадии решения. Между тем воздействие на компоненты геосистем поллютантов во многом зависит как от количества, так и формы их нахождения в зоне техногенеза.
Сравнительный анализ массовой доли химических элементов твердых аэрозолей и почв фона показал следующий ряд коэффициентов их потенциальной концентрации (Кс) в верхнем слое почв – F50 Al5,2 Ni4,5 Co2 Zn1,8 Cu1,8 Pb1,8. В качестве главных элементов-загрязнителей выделяются фтор, никель и алюминий. Суммарный индекс потенциального загрязнения (Zc) для них составляет 61, 1 у.е. и оцениваются согласно [7] как высокий и опасный. В результате трансформации исходного твердого вещества аэрального потока и рассеяния поллютантов в толще почвенного профиля зоны загрязнения реально ассоциацию с аномальным валовым содержанием в верхнем слое почв (0-10 см) по сравнению с почвами фона составляют шесть элементов – F28,3 Ni5,5 Pb3,9 Zn2,8 Cu2,2 Al1,9. Индекс суммарного загрязнения снижен по сравнению с потенциальным примерно в 2 раза (39,6 у.е.), оставаясь высоким и опасным.
Существенно обогащены по сравнению с водными растворами почв фона водные вытяжки дерново-подзолистых остаточно-карбонатных почв вблизи БрАЗа (F251 Al18,8 Na18,7 Zn2,4 Sr1,7 Ba1,7 Pb 1,5). Индекс их суммарного загрязнения составляет 290 у.е., что также соответствует очень высокому и опасному уровню.
Из всех компонентов геосистем почва является наиболее значимым депонирующим звеном на пути миграции поллютантов. Длительное их поступление в природную среду привело к накоплению, как в подстилке и верхнем гумусовом горизонте почв, так и в более глубоких слоях (рис. 2).
а б
Рис. 2. Содержание поллютантов в профиле дерново-подзолистой остаточно-карбонатной почвы: а – водорастворимая форма, б – валовая форма
Наибольшее накопление в почвах характерно для фтора. Его распределение по почвенному профилю дерново-подзолистых почв показало высокие уровни концентрации в мелкоземе подстилки и слое фрагментарно сохранившихся мхов, а также дерновом горизонте AY до 15 ПДК водорастворимого фтора (F-) и от 3300 до 8000 мг/кг валового. Повышенное содержание фторид-иона (до 1 ПДК) в верхнем слое почв прослеживается до 9 км от завода в северо-восточном направлении, включая территорию г. Братска.
Динамика распределения водорастворимой и валовой форм элемента в почвенном профиле взаимосвязано (рис. 3).
а б
Рис. 3. Динамика содержания фтора в профиле дерново-подзолистой остаточно-карбонатной почвы: а – водорастворимая форма, б – валовое содержание
Для водорастворимой формы фтора характерна постепенная убыль концентраций до глубины 40-50 см (горизонт BT) с резким падением ниже. Исключение составил период 2010-2015 гг. с сильными засухами во время которых почвенная масса уплотненного горизонта ВT легко делилась на структурные отдельности, становилась трещиноватой и водопроницаемой, что прослеживается по увеличению фтора (F-) в почвенном растворе нижних горизонтов почв (рис. 3, а). Выход элемента в водную вытяжку дернового горизонта достигает 10-11 % от общего количества. В иллювиальном и карбонатном горизонте водорастворимых фторидов заметно меньше – 0,3-0,5 %. Поглощение фтора (F-) почвой сопряжено с алюминием (Al3+), в то время как значительная часть натрия (Na+) остается в растворе и в условиях промывного водного режима может интенсивнее выноситься за пределы почвенного профиля (рис. 2, а). Этот процесс адекватно отражается на содержании валовой формы элементов (рис. 2, б), где прослеживается по сравнению с фоном увеличение концентраций алюминия в1,2 раза, фтора в 6 раз, и снижение натрия в 4 раза.
В нормальных условиях увлажнения обогащенный илом горизонт BT, служит в качестве геохимического барьера. Наличие почвенно-геохимических барьеров удерживает водорастворимый фтор в слое 0-50 см, что создает условия для длительного его контакта с твердой фазой почв и перехода в поглощенную и другие малоподвижные формы, образуя с металлами плохо растворимые соединения [6]. Вероятно поэтому в обедненном илистой фракцией и металлами элювиальном оподзоленном горизонте EL (20-30 см), как правило, процесс накопления фтора в валовой форме выражен слабее по сравнению с верхним дерновым горизонтом AY (0-10) и нижележащими горизонтами, служащими в качестве геохимических барьеров: сорбционного (BT) и седиментационного (BTca и Сса) (рис. 3).
Динамика содержания фтора в почвах показывает постепенное во времени (после модернизации) снижение его валовой формы в подстилке (Ao) и дерновом горизонте (AY) и, напротив, увеличение водорастворимой формы, что может свидетельствовать о начавшемся процессе самоочищения почв вследствие снижения выбросов твердых и газообразных фторидов и перемещение их в карбонатную кору выветривания. Ранее отмечался процесс аккумуляции валового фтора в почвах, содержание которого в 1982 году (спустя 15 лет после пуска БрАЗа) вблизи источника эмиссий составляло свыше 1000 мг/кг [10]. Позднее его количество увеличилось до 3400 мг/кг [9].
Не смотря на снижение к 2015 году нагрузок поллютантов в водорастворимой форме примерно в 2 раза, а в твердой малорастворимой форме в 3 раза проблема сокращения пылегазовых эмиссий, особенно газообразной составляющей, еще остается. Это связано не только с повышенным содержанием фторид-иона в снеге и почвах, но и с тем, что в последнее время (2011-2014 гг.) в результате аварийных выбросов в атмосферу наблюдается поражение хвои и листьев древесных пород, а также травянистого покрова.