Воздействие атмосферных выбросов магнезитового производства на почвы и снеговой покров

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).

(твёрдый раствор), Na2Mg (SO4)4•2Mg SO4, MgF2, Mg2SO4, Mg2COз. В водных вытяжках обнаружены Mg2SO4, ^04 • 2Mg2SO4, твёрдый раствор состава К0 67Na133SO4 (K3Na(SO4)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 Глубина взятия образца, см Сумма Са++ и М^++ Са++ Мй++ Соотношение Мй++ / Са++ рН водной вытяжки

мг/экв на 100 г почвы

0-1 112,5 30 82,5 2,8 9,54

1-10 95 47,5 47,5 1,0 8,76

10-11 75 22,5 52,5 2,3 8,63

11-27 32,5 20 12,5 0,6 8,61

27-40 45 30 15 0,5 8,97

ОУ-2-2 / 1 0-3 77,5 20 57,5 2,9 9,20

3-5 42,5 30 12,5 0,4 9,00

5-14 87,5 32,5 55 1,7 8,74

14-27 77,5 12,5 65 5,2 8,46

27-40 40 20 20 1,0 8,22

40-55 20 12,5 7,5 0,6 9,32

0-1,5 72,5 15 57,5 3,8 8,87

1,5-2,5 47,5 12,5 35 2,8 8,55

ОУ-5 / 3 2,5-13 62,5 17,5 45 2,6 8,45

13-36 137,5 20 17,5 0,9 8,63

36-60 92,5 25 67,5 2,7 8,62

0-4 90 70 20 0,3 8,06

4-6 47,5 35 12.5 0.4 8.18

ОУ-6 / 3,5 6-20 45 20 25 1,3 8,40

20-25 52,5 37,5 15 0,4 8,00

25-39 50 12,5 37,5 3,0 7,45

39-70 27,5 20 7,5 0,4 7,70

0-4 82,5 20 62,5 3,1 7,83

5-6 67,5 32,5 35 1,1 7,78

6-16 37,5 25 12,5 0,5 7,71

ОУ-3 / 5 16-45 22,5 15 7,5 0,5 8,05

45-50 52,5 17,5 35 2,0 7,66

50-56 17,5 7,5 10 1,3 7,65

56-70 27,5 17,5 10 0,6 7,44

0-2,5 50 25 25 1,0 7,25

2,5-4 40 22,5 17,5 0,8 7,43

4-20 40 15 25 1,7 7,23

ОУ-4 / 10 20-31 30 22,5 7,5 0,3 7,80

31-56 15 10 5 0,5 7,70

56-67 20 12,5 7,5 0,6 7,73

67-76 27,5 20 7,5 0,4 7,85

0-2,5 52,5 25 27,5 1,1 6,42

2,5-8 50 22,5 27,5 1,2 5,81

ПП-7К / 20 8-13 25 17,5 7,5 0,4 6,00

13-42 42,5 27,5 15 0,5 5,85

42-55 35 25 10 0,4 6,13

2. Показатель рН и содержание взвешенных веществ в снеговой воде

Расстояние от источника, ОУ /км рН Масса взвешенного вещества, г/м2 Масса взвешенного вещества, г/л

2012 г.

ОУ-2 / 1 10,3±0,03 29,51±1,14 0,5±0,05

ОУ-5 / 3 10,0±0,02 15,25±0,79 0,23±0,01

ОУ-6 / 3,5 10,0±0,07 12,04±0,69 0,2±0,02

ОУ -4 / 10 9,7±0,06 2,9±0,45 0,05±0,007

ІІІ1П-5К / 20 7,9±0,28 1,01±0,19 0,02±0,002

К1/25 7,4±0,09 0,96±0,15 0,02±0,003

2010 г.

ВПП / 0,2 9,8±0,18 154,05±8,97 2,87±0,24

ВПП / 0,5 10,0±0,24 50,63±5,24 0,93±0,08

ОУ-2 / 1 9,4±0,28 18,60±1,18 0,37±0,04

ВПП / 1,5 9,5±0,12 18,13±2,28 0,24±0,03

ВПП / 2,0 10,1±0,07 71,03±8,84 0,82±0,04

ВПП / 2,5 9,8±0,16 21,09±1,17 0,28±0,02

ОУ-5 / 3 9,7±0,12 18,32±0,98 0,23±0,01

ОУ-4 / 10 8,8 ±0,14 3,10±0,62 0,04±0,006

ППП-5К / 20 8,3±0,08 1,70±0,29 0,03 ±0,002

2006 г.

ОУ-2 / 1 9,7±0,09 37,56±5,04 0,29±0,04

ОУ-5 / 3 8,9±0,08 18,58±3,49 0,14±0,03

ОУ-3 / 5 9,2±0,11 11,99±1,56 0,07±0,01

ОУ-4 / 10 8,1±0,17 6,32±0,73 0,04±0,01

ВПП / 20 (на выезде) 7,1± 0,04 6,57±0,51 0,06±0,001

2002 г.

ОУ-2 / 1 9,6±0,12 39,60±3,77 0,30±0,04

ОУ-5 / 3 9,2±0,05 29,39±9,50 0,30±0,09

ОУ-3 / 5 7,8±0,14 22,97±5,27 0,24±0,07

ОУ-4 / 10 7,9±0,14 19,53±7,05 0,14±0,05

1983 г.

ОУ-2 / 1 9,8 Нет свед. Нет свед.

ОУ-5 / 3 10 Нет свед. Нет свед.

ОУ-3 / 5 9,6 Нет свед. Нет свед.

ОУ-4 / 10 9,5 Нет свед. Нет свед.

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-

3. Содержание элементов в фильтрате снеговой воды, 2011 г.

ОУ/ расстояние от источника выбросов, км Макроэлементы в фильтрате, мг/м2

Са++ Мй++ К+ №+

ОУ-2 / 1 27,03±0,1 3277,26±81,6 27,66±1,6 28,24±3,8

ОУ-5 / 3 54,28±1,8 5359,06±65,7 24,81±1,42 23,41±2,2

ПП-7К / 20 12,55±0,4 373,151±38,3 21,48±1,3 42,49±2,02

Контроль/25 90,04±9,5 117,50±3,6 48,46±4.7 231,88±17,07

4. Содержание тяжёлых металлов в фильтрате снеговой воды, 2011 г.

ОУ/ расстояние от источника выбросов, км Микроэлементы в фильтрате, мг/м2

Ее Си 7п N1 Мп Со са

ОУ-2 / 1 ОУ-5 / 3 Контроль ПП-7К / 20 Контроль/25 209,3±48,3 393,5±191,9 191,7±31,5 244,4±40,2 23,3±5,9 58,6±39,1 19,6±3,3 26,2±3,4 29,8 ± 7,0 187,5±149,3 73,4±25,2 111,0±22,6 10,8±1,76 7,7±0,53 4,2±0,47 5,4±0,71 18,4±6,07 66,9±45,43 80,1±3,35 85,2±9,01 13 2 ^ °, Ч, 00 -н-н-нЯ^ 42 0 0,01±0,01 н/о 0,1±0,1 0,1±0,1

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,

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.