LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 26
(всего 27)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>
































Глава 16
ИНВАЙРОНМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ
И БИОГЕОХИМИЯ

Ход событий поставил человечество в XX в. перед проблемами, с которыми оно никогда раньше не сталкивалось. Производственная деятельность достигла такого уровня, что стала сказываться на геохимическом состоянии окружающей среды. Загрязнение атмосферы, природных вод, почвенного покрова и растительности производственными и бытовыми отходами стало ощутимым фактором воздействия на глобальную систему биосферы. На отдельных территориях загрязнение окружающей среды отрицательно сказывается на биоразнообразии, разрушает биоценозы, создает угрозу для здоровья населения. По этой причине проблемы загрязнения окружающей среды надо рассматривать также с позиций биогеохимии.

16.1. Деформация природных
биогеохимических циклов хозяйственной
деятельностью человеческого общества

На протяжении последних тысячелетий естественное развитие биогеохимических циклов массообмена испытывает растущее воздействие хозяйственной деятельности человеческого общества.
Появление первых этносов и цивилизаций сопровождалось началом изменений в структуре и динамике живого вещества в ареале распространения каждой цивилизации. Кочевые цивилизации оказывали сравнительно медленное воздействие на природные системы массообмена, но охватывали большие территории. Земледельческие цивилизации, наоборот, полностью изменяли природную систему массообмена, но на ограниченной площади (долины Нила, великих рек Восточной и Юго-Восточной Азии, междуречье Тигра и Евфрата). Если к результатам хозяйственной деятельности людей добавить так называемые непредвиденные последствия этой деятельности — эрозию почв, опустынивание, лесные пожары и др., то очевидно, что человеческое общество с момента его появления стало важным фактором изменения биосферы.
Вначале деятельность людей затрагивала живое вещество суши и биокосную систему почвы. Вырубая и сжигая леса, распахивая степи, заменяя природную растительность сельскохозяйственными культурами, люди вносили определенные изменения в биогеохимическую структуру экосистем суши. Глубокие преобразования в хозяйственной деятельности наметились в XIX в., когда начала бурно развиваться индустрия. В сферу промышленного производства стали вовлекаться в значительном количестве массы химических элементов, извлекаемые из земных недр. В настоящее время во всем мире ежегодно добывается более 100Ч109т минеральных ископаемых, включая строительные материалы, балласт для дорог и др. Если это количество отнести ко всей Мировой суше, то окажется, что с 1 км2 суши ежегодно извлекается около 700 т. Воздействие общественного производства распространяется не только на наружную часть земной коры, но также на природные воды ц атмосферу. На производственные и бытовые нужды расходуется примерно 4Ч103 км3 воды в год, т.е. 10% объема речного стока. Из атмосферы извлекается молекулярный азот и переводится в реакционноспособные формы.
Одновременно в окружающую среду выбрасываются промышленными предприятиями сотни миллионов тонн газов и пыли, в поверхностные воды поступают десятки миллионов тонн бытовых, промышленных и сельскохозяйственных стоков.
Приведенные примеры показывают, что человеческое общество в процессе производственной деятельности выступает как мощный геохимический фактор, изменяющий и перераспределяющий миграцию огромных масс химических элементов. Производственная деятельность человечества оказывает важное влияние как на глобальные биогеохимические циклы, так и на биогеохимические процессы, совершающиеся на небольших территориях.
Начиная с середины XX в. для обеспечения индустриального производства некоторые химические элементы использовались в таком количестве, которое сопоставимо с массами, мигрирующими в глобальных биогеохимических циклах. Главная черта современной индустриальной технологии — низкая экономичность, обусловленная огромным количеством отходов. Обильные отходы не утилизируются в смежных производствах, а выбрасываются в окружающую среду. Массы загрязняющих отходов столь велики, что поражают воображение.
Проблемы загрязнения окружающей среды, остро обозначившиеся во второй половине XX в., волнуют широкие круги мировой общественности. По этому поводу высказано множество суждений — научно обоснованных, фантастических и явно спекулятивных. С позиций биогеохимии любые варианты решения рассматриваемой проблемы должны базироваться на изучении влияния техногенных масс на биогеохимические циклы массообмена разных рангов, благодаря которым существует система биосферы. Если техногенное воздействие нарушает функционирование глобальных циклов массообмена, изменяет направленность отдельных потоков миграции элементов, то несомненно возникает опасность для планетарного механизма, обеспечивающего существование биосферы. Если этого не происходит, то необходимо установить, для каких звеньев глобальных циклов и конкретных эко-геосистем такая опасность существует.
Глобальные биогеохимические проблемы. В зависимости от особенностей циклов массообмена загрязняющий компонент может распространяться на всю биосферу, на значительную территорию или иметь локальный характер. Одной из проблем, имеющих глобальное значение, является предполагаемое возрастание углекислого газа в атмосфере в связи с промышленным производством.
Основания для беспокойства имеются. С изобретением паровой машины в качестве топлива стал широко использоваться каменный уголь, с появлением двигателей внутреннего сгорания — нефть и ее производные. Сжигание угля быстро возрастало. В начале XIX в. угля добывали около 30Ч106 т/год, в 1900 г. — 700Ч106, в 1913 г. — 1340Ч106, в 1951 — 1918Ч106, а к 1970 г. добыча угля превысила 3000Ч106 т/год. Эксплуатация нефти началась в 1856 г. В 1900 г. во всем мире добывали менее 30 млн т нефти, а в настоящее время из недр извлекается более 2Ч109 т. К этому добавилась разработка залежей природного газа, которая также развивалась очень быстро. В 1937 г. было добыто 74Ч09 м3 газа, а через 30 лет добыча возросла в 10 раз. Таким образом, использование природных соединений углерода происходит в столь значительном количестве, что это можно сравнить с крупным природным процессом. Все виды минерального топлива, сгорая, превращаются в углекислый газ. Возникает вопрос: какова его дальнейшая судьба?
По данным SKOPE (1979), концентрация СО2 в атмосфере до 1850 г. была около 290Ч10-4 % объема, через 100 лет — 313Ч10-4 %, в 1978 г. — 330Ч10-4 %. Предполагается, что в атмосферу путем сжигания минерального топлива до 1980 г. было выделено углерода в составе СО2 около 140Ч109 т. Наблюдения за концентрацией СО2 показали, что его масса в атмосфере за последние годы возрастает на 2,2Ч109 т/год. Суммарное поступление в атмосферу углерода в составе углекислого газа из индустриальных источников в настоящее время оценивается в 5Ч109 т/год. Это количество примерно в 15 раз меньше, чем ассимиляция углерода при фотосинтезе растительности Мировой суши.
При сжигании дров, лесных пожарах в атмосферу выделяется еще 4,8Ч109 т СО2 в год, но половина этой массы вновь захватывается растительностью. Б. Болин и другие ученые предполагают, что содержание СО2 в атмосфере будет ежегодно увеличиваться примерно на половину количества СО2, образующегося при сжигании минерального топлива. Если его потребление будет по-прежнему возрастать на 4 % в год, то, по мнению ученых, концентрация СО2 в атмосфере к началу 2010 г. превысит 380Ч10-4 % объема.
Рост концентрации СО2 сам по себе опасности не представляет, но повышение содержания молекул СО2 может вызвать повышение температуры воздуха благодаря парниковому эффекту (см. разд. 3.1), что может иметь катастрофические последствия.
Метеорологи считают, что сейчас в Северном полушарии температура приземного слоя тропосферы на 0,4 °С выше, чем в 1950— 1980 гг. Предполагается, что к 2050 г. температура повысится на 3 — 4° С. Потепление климата должно отразиться на биосфере в целом, вызвать повышение почти на 0,5 м уровня Мирового океана за счет таяния 30Ч106 км3 ледников и примерно такого же количества морских льдов. Затопление густонаселенных береговых территорий повлечет за собой сложные ситуации в экономике и организации мирового хозяйства. Теоретическая проблема раз-балансирования глобального цикла массообмена углерода приобретает экономические, социальные, а следовательно, и политические аспекты.
Проблема настолько серьезная, что Всемирная метеорологическая организация (ВМО) совместно с руководством Программы по окружающей среде ООН (ЮНЕП) начиная с 1976 г. провела серию международных совещаний. Международная научная общественность считает, что важной общемировой задачей является уменьшение выбросов СО2 в атмосферу. На конференции в Торонто (1988) было внесено предложение о сокращении выбросов СО2 на 20 % к 2005 г., на конференции в Гамбурге (1989) обосновывалась необходимость сокращения выбросов на 30 %. ВМО и ЮНЕП учредили в 1988 г. специальный межправительственный совет по этой проблеме, в который вошли представители более 40 государств.
Следует заметить, что опасения по поводу климатических последствий повышения концентрации СО2 в атмосфере заслонили другую, на наш взгляд, не менее важную проблему. Сжигание огромных масс каменных углей, нефти и газа сопровождается расходованием еще больших масс кислорода. В разд. 7.1, 7.2 показано, что свободный кислород накопился в атмосфере только благодаря захоронению органического углерода, в том числе того, из которого состоят каменные угли и газ. Усиленное сжигание минерального топлива, несомненно, способствует связыванию огромного количества кислорода в СО2. Если во всем мире сжигается в составе минерального топлива 5Ч109 т углерода, то на это расходуется более 13Ч109 т кислорода. Сравним эту цифру с массами кислорода, участвующими в биологическом круговороте на Мировой суше, — около 230Ч109 т. Создается впечатление, что количество кислорода, расходуемого на сжигание минерального топлива, совсем незначительно по сравнению с тем, сколько кислорода выделяет растительность суши. Однако надо иметь в виду, что основная часть выделяющегося при фотосинтезе кислорода должна быть израсходована на разложение отмерших органов растений (продуктов спада). По расчетам О.П.Добродеева, за счет отмершего, но не разложенного до СО2 органического вещества в атмосфере ежегодно остается около 1,55Ч109 т кислорода. Эта масса в 10 раз меньше количества кислорода, которое каждый год расходуется на сжигание минерального топлива.
Кроме того, кислород расходуется на окисление металлов, главным образом железа, которое люди добывают и выплавляют. Насколько велик расход кислорода на эти процессы, свидетельствуют следующие данные. Ежегодно во всем мире выплавляется около (700 — 800) Ч106 т стали. В то же время окисляется, ржавеет примерно 10 % этого количества, на что расходуется около 340Ч106 т кислорода. Наконец, кислород расходуется на окисление различных газов, которые продолжают выделяться из земных недр. Это количество кислорода пока не определено.
Биосфера в целом пока справляется с окислением продуктов индустриальной деятельности человечества, но поглощение кислорода достигло такого уровня, что за глобальным биогеохимическим циклом массообмена кислорода необходим внимательный контроль.
При оценке последствий сжигания возрастающих масс каменного угля необходимо обратить внимание еще на один аспект этой проблемы. Как известно, каменный уголь является продуктом глубокой трансформации органического вещества растительного происхождения. В разд. 7.1 показано, что в процессе фотосинтеза предпочтительнее поглощаются легкие изотопы углерода. Сжигание угля и поступление в атмосферу СО2, обогащенного легким изотопом |2С, должно отражаться на изотопном составе растений и всего живого вещества Земли. Результаты многочисленных анализов годовых колец стволов деревьев разного возраста, обобщенные американским биогеохимиком Б. Болином (1985), наглядно показывают, что по мере развития индустриальной деятельности растительность обогащается легким изотопом углерода (рис. 16.1). Каковы последствия этого явления — покажет будущее.



Рис. 16 1. Изменение изотопного состава углерода древесины на протяжении
индустриального периода истории человечества (по Б Болину, 1986)

Прогрессирующее возрастание масс химических элементов, вовлекаемых в миграционные потоки, вызванные хозяйственной деятельностью людей, достигло такого уровня, когда не только нарушается стационарность природных миграционных циклов в отдельных территориальных биогеосистемах, но и вносится дисбаланс во всю глобальную систему циклического массообмена, которая поддерживает существование биосферы. Вполне естественно, что возникла идея организации межгосударственной координации хозяйственной деятельности. Рассмотрению этой идеи была посвящена Международная конференция по охране окружающей среды и развитию в Рио-де-Жанейро (1992). На конференции была принята концепция «поддерживающего развития», призывающая государства отказаться от неограниченного и бесконтрольного использования природных ресурсов и загрязнения биосферы. Конференция была весьма представительна и проходила на уровне глав государств и правительств. Несмотря на историческую значимость первой конференции такого рода, из-за отсутствия научного обоснования подходов к рассмотрению этой важной идеи в итоговом документе содержались лишь общие положения. Никаких существенных достижений на пути организации научно обоснованной координации производственной деятельности государств с целью поддержания биосферы не было достигнуто и на XIX специальной сессии Генеральной Ассамблеи ООН (1997), посвященной анализу деятельности государств по поддержанию биосферы.
Вместе с тем, отдельные частные проблемы успешно решались после тщательного изучения порождающих их причин и последствий. Примером может служить опыт предотвращения и нейтрализации локального загрязнения тяжелыми металлами, проявления которого рассматриваются ниже.
Региональные биогеохимические проблемы. Значительный дисбаланс в природные циклы массообмена, охватывающие экогео-системы крупных регионов, вносят отходы промышленных предприятий и транспорта. Более 95 % техногенных выбросов соединений серы представлено SO2. Это химически агрессивное соединение. Главная эмиссия SO2 происходит при сжигании каменных углей, содержащих сульфиды железа, и нефти, в которой постоянно присутствуют серосодержащие органические соединения. Значительные массы SO2 выделяются в атмосферу при выплавке металлов. В 1986 г. было выброшено в атмосферу (106 т) в США: СО2 - 18,4; SO4 - 20,3; в СССР: СО2 - 15,4; SO4 - 18,8. Выбросы SO4 в Восточной Европе составили (106 т): в 1980 г. — 27,8; в 1985 г. — 26,9; в 1990 г. — 24,3 (Ровинский Ф.Я., 1988). Общемировая масса техногенных выбросов серы по состоянию на 1990 г. оценивается в (100-110) • 106 т/год.
Оксиды серы, осаждаясь с атмосферными осадками, поражают растительность (рис. 16.2), губят почвенную биоту, вызывают заболевания населения. Рыжие от действия сернокислотных дождей хвойные леса склонов горных массивов являются печальной достопримечательностью природы некоторых стран Восточной Европы.

Рис. 16.2. Типичные симптомы поражения растений диоксидом серы:
а — листья березы, дуба скального, бука лесного; б — листья георгина и явора; в — листья клевера, люцерны и рапса
Техногенные оксиды серы распределяются неравномерно и поражают отдельные районы. Экологическая проблема сернокислотных дождей усугубляется трансграничным переносом воздушных масс, содержащих оксиды серы. Известны случаи ущерба, нанесенного выпадением «кислых дождей», принесенных на территорию стран Скандинавского полуострова из индустриальных районов Германии.
Сильное изменение природных биогеохимических циклов некоторых химических элементов происходит под влиянием сельскохозяйственного производства. Суммарная площадь почв, в настоящее время находящихся в сфере земледелия, — около 15Ч106 км2, т.е. около 10 % от площади всей суши. Площади обрабатываемых почв в разных биоклиматических зонах и на разных континентах сильно различаются. Согласно имеющимся данным земледельческое использование почв Мировой суши выглядит следующим образом (% от площади части света):

Части света Процент
площади
Европа (без стран бывш. СССР)......................................30,8
Азия (без стран бывш. СССР)..........................................20,2
Северная и Южная Америка........................................... 3,5
Африка............................................................................... 14,4
Австралия и Океания........................................................ 4,1

На площади активного земледелия трансформирована вся структура биологического круговорота. Природная растительность, находившаяся в биогеохимическом равновесии с окружающей средой, заменена сельскохозяйственными культурами, которые могут существовать в условиях данных экогеосистем лишь благодаря человеку. Продукция полностью не возвращается в почву, а частично удаляется в виде урожая. В систему биологического круговорота искусственно вводятся значительные массы азота, калия, фосфора, а также дополнительные количества воды. Вместе с тем механическое нарушение почвы активизирует процессы эрозии и выноса химических элементов за пределы обрабатываемых площадей.
По данным В. А. Ковды (1973), при мировом производстве зерновых культур, равном 1,2Ч109 т/год, одновременно с урожаем в биологический круговорот вовлекается 48Ч106т азота, 36Ч106т калия и 12Ч06т Р2О5. С учетом всей другой сельскохозяйственной продукции эти массы еще больше. Вынос азота с общемировым урожаем в 1970— 1971 гг. составил 106Ч106 т, в 2000 г. около 200Ч106 т.
Изменения структуры биологического круговорота на обширной территории иллюстрируют данные Т.И.Евдокимовой и др. (1976) для лесной зоны европейской части России, территория которой занимает площадь 2,42Ч106 км2. В доисторические времена леса покрывали всю площадь, в настоящее время они сохранились лишь на 1,5 млн км2; 0,3 млн км2 занято пашней; 0,38 млн км2 — лугами и пастбищами; 0,24 млн км2 — городами, поселками, транспортными магистралями, реками и озерами. В результате резко сократилась величина фитомассы и связанных в ней химических элементов. Благодаря внесению удобрений сельскохозяйственные культуры вовлекают в биологическую миграцию значительно больше азота, фосфора и калия, чем естественная лесная растительность. Но значительная часть масс элементов искусственно удаляется. Со всей площади зоны ежегодно вывозится в составе урожая и лесоматериалов 11 млн т азота, 1,1 млн т фосфора, 4,5 млн т калия, 5,3 млн т кальция. Вырубка леса и распашка почв способствовали усилению водной миграции. С водным стоком выносится значительно больше кальция, чем его поступает с удобрениями и при известковании почв. Изменение миграции химических элементов на территории европейской части России на протяжении исторического времени показано в табл. 16.1.
Таблица 16.1
Антропогенная трансформация массообмена в лесной и степной
зонах европейской части России

Показатели
Миграция масс элементов на всей площади зоны, 106 • т/год










азот

фосфор

калий

кальций

сера


I
II
I
И
I
II
I
II
I
II
Лесная зона, плошадь 2,42 • 106 км2










Поступление с атмосферными осадками
0,87
0,87
0,03
0,03
1,09
1,09
1,52
1,52
2,61
2,61
Вовлечение в биологический круговорот
21,1
20,6
2,9
2,38
5,5
9,91
9,2
8,1
1,5
1,46
Поступление с удобрениями
0,0
0,60
0,0
0,18
0,0
0,45
0,0
12,0
0,0
0,30
Вывоз с урожаем и рубка леса
0,0
11,3
0,0
1,11
0,0
4,54
0,0
5,31
0,0
0,60
Вынос с водным стоком
0,8
1,21
0,17
0,17
2,0
6,06
7,3
16,6
5,4
4,6
Степная зона, площадь 0,31 • 106 км2










Поступление с атмосферными осадками
0,124
0,124
"
"
0,123
0,124
0,93
0,93
0,46
0,68
Вовлечение в биологический круговорот
6,5
2,01
0,25
0,34
0,7
0,8
5,5
0,73
0,5
0,095
Поступление с удобрениями
0,0
0,75
0,0
0,25
0,0
0,38
0,0

0,0

Вывоз с урожаем
0,0
1,4
0,0
0,2
0,0
0,64
0,0
0,47
0,0
0,08
Вынос с водным стоком

0,3

0,1

2,0

1,5

0,30

Условные обозначения. I — доисторический период; II — настоящее время.

Годовое движение масс химических элементов еще сильнее изменилось в степной зоне, где земледелие развито особенно широко. На площади около 0,3 млн км2 южных степей, занятой в доисторическое время разнотравно-типчаково-ковыльной растительностью, распахано около 0,22 млн км2. Изменения здесь весьма специфичны. Хотя с удобрениями вносится значительное количество азота, в целом захват в биологический круговорот массы азота уменьшился по сравнению с целинными степями до вмешательства человека. Вовлечение в биологический круговорот масс фосфора и калия сохранилось примерно на исходном уровне, но сильно возросла водная миграция этих элементов в результате эрозии почв. Особенно усилилась миграция калия, вынос которого с водным стоком в несколько раз превышает внесение этого элемента с удобрениями.
Население Земного шара растет, и проблема его обеспечения продуктами питания — одна из самых актуальных. Поэтому все больше увеличиваются дозы минеральных удобрений, расширяются старые и строятся новые горные предприятия, сооружаются новые химические комбинаты для переработки горно-химического сырья в минеральные удобрения. Искусственное включение масс химических элементов в биологический круговорот в настоящее время является главным мероприятием для повышения урожайности.
В табл. 16.2 сопоставлены массы потоков миграции азота, фосфора и калия. Из приведенных данных видно, что количество азота и фосфора, искусственно направляемых в систему биологического круговорота, уже превышает массы этих элементов, вовлекаемых в водную миграцию естественным путем.
Таблица 16.2
Промышленная продукция и природная миграция масс азота,
фосфора и калия, 106 т/год (на уровне 1990 г.)

Процесс

Химический элемент



Азот
Фосфор
Калий
Ежегодное промышленное производство (N) или добыча (Р и К)
60*
40
16
Вынос речными водами (до широкого загрязнения вод):
в растворимой форме
во взвесях

18
6

0,8
20

61
283
Поступление с атмосферными осадками на сушу (до широкого загрязнения тропосферы)
50

65
Содержание в продукции восстановленной природной
растительности континентов
3500

3550

1800


* Без учета массы технологических отходов и бытовых выбросов, составляющей около 40Ч106 т/год азота.

Особого внимания заслуживает существующее распределение масс азота в мировом сельском хозяйстве. Как видно из табл. 16.2, в 1970 г. в обрабатываемые почвы всего мира с минеральными удобрениями вносилось около 30Ч109 т/год азота, в 1990 г. — около 60Ч109, в 2000 г. — до 120Ч109 т/год. В связи с агрохимической интенсификацией сельского хозяйства возникла проблема азота, имеющая не только биогеохимическое, но также экологическое значение.
Во-первых, искусственное введение крупных масс азота в обрабатываемые почвы нарушает сбалансированность массообмена в системе почва —растительность. Избыточные массы азота, не включенные в биологический круговорот, активно вовлекаются в водную миграцию. В геохимически подчиненных экогеосистемах (отрицательных элементах рельефа, озерах, а также водохранилищах, образованных плотинами гидростанций) аккумулируются соединения азота. Это вызывает усиленный рост водной растительности, зарастание водоемов, перегрузку их мертвыми растительными остатками и продуктами разложения. Во-вторых, аномально высокое содержание растворимых соединений азота в почве влечет за собой повышенную концентрацию этих элементов в сельскохозяйственных продуктах питания и питьевой воде. Установлено, что попадающие в организм человека нитриты образуют соединения, нарушающие кислородный обмен в крови человека и вызывающие метгемоглобинемию. Это сопровождается серьезными заболеваниями, особенно у детей. Не менее опасно образование нитрозоаминов, обладающих канцерогенными свойствами.
Имеющиеся данные позволяют заключить, что благодаря сильной незамкнутости природных циклов массообмена, связывающих отдельные экогеосистемы, нормальное функционирование глобального цикла азота сохраняется. Однако в некоторых сельскохозяйственных районах избыточные массы азота, которые не могут быть захвачены в биологический круговорот, вовлекаются в водную миграцию и нарушают нормальное функционирование биогеохимически подчиненных экогеосистем в районах интенсивного сельскохозяйственного производства.
Наиболее интенсивный поток веществ, поступающих в глобальную среду в результате хозяйственной деятельности людей, в настоящее время связан с добычей, транспортом, переработкой и сжиганием горючих полезных ископаемых. Включение огромной массы природных органических соединений в систему биогеохимических циклов биосферы пока еще полностью не осознаны, но многие негативные последствия этого процесса очевидны.
Загрязнение нефтью и нефтепродуктами Мирового океана нарушает всю систему биогеохимических циклов и является одной из наиболее актуальных инвайронментальных проблем начала III тысячелетия. Потери нефти при эксплуатации скважин и авариях нефтепроводов глубоко поражают отдельные наземные биогеосистемы. Тяжелые компоненты нефти, попадая в почву на длительное время изменяют ее водно-физические свойства и направленность микробиологических процессов. Излияние нефтяных вод приводит к образованию техногенных солончаков в ландшафтах, где по природным условиям их образование невозможно Выбросы в атмосферу вместе с нефтяными газами сероводорода деформируют биогеохимические циклы многих элементов. Среди химических компонентов нефти и ее дериватов для организма человека особую опасность представляют полициклические ароматические углеводороды, часть которых канцерогенна. В силу изложенных обстоятельств в развитых странах осуществляются разнообразные и дорогостоящие мероприятия, направленные на предотвращение и нейтрализацию последствий загрязнения нефтью. В частности, затраты на охрану окружающей среды в нефтяной промышленности США в 1980-х гг. составили около 2 млрд долл.
Вблизи мест разлива нефти образуются специфические геохимические аномалии, имеющие сложную структуру, обусловленную дифференциацией в процессе фильтрации. Формирование таких аномалий детально изучено Н.П.Солнцевой в условиях тундровых и таежных ландшафтов России (рис. 16.3)


Рис 16 3 Модель загрязнения сырой нефтью
(по Н.П.Солнцевой, упрощено):
зоны загрязнения 1 — преимущественного осаждения тяжелых фракций нефти, 2 — преимущественного осаждения легких фракций, 3 — преимущественного накопления минерализованных вод и легких фракций нефти, 4 — направления миграции нефти, 5 — поступление нефти с пленки на поверхности грунтовых вод, 6 — зона вторичного загрязнения над уровнем грунтовых вод, 7 — уровень грунтовых вод

Еще более значительные массы отходов образуются при эксплуатации месторождений каменного угля. Вблизи шахт и открытых разработок атмосфера загрязнена угольно-силикатной пылью и дымом, почвы погребены под отвалами вскрышных пород, состав поверхностных и грунтовых вод трансформирован продуктами окисления сульфидов железа, содержащихся в углях. Вокруг шахт и разрезов образуются поликомпонентные геохимические аномалии. В районах длительной эксплуатации отдельные техногенные аномалии сливаются в обширные техногенные геохимические поля, которые служат мощными источниками эмиссии веществ, загрязняющих атмосферу. Влияние этих полей распространяется далеко за их границами. Достаточно вспомнить случаи трансграничного переноса воздушных масс, обогащенных при сжигании угля оксидами серы и обусловленные этим кислотные дожди.
Следует отметить, что во многих развитых странах дальнейшая эксплуатация угольных месторождений сокращена или даже полностью прекращена и районы, многие десятилетия служившие примером губительных для природы разработок каменного угля (бассейн Рура в Германии, «Черная долина» в области среднего течения Роны во Франции), благодаря энергичным социально-экономическим и инженерным действиям рекультивированы и их природа возрождена.
В последние годы возник новый вид загрязнения органическими веществами, входящими в состав топлива космических ракет. Токсичными компонентами реактивного топлива является несимметричный диметилгидразин, хорошо растворимый в воде и свободно вовлекаемый в биологический круговорот.
Изучение участков, загрязненных остатками топлива, поступающими на поверхность почвы с остатками отделяемых ступеней ракет, было проведено в ландшафтах Центрального Казахстана Н.С.Касимовым и сотрудниками. Установлено, что диметилгидразин задерживается в гумусовом горизонте каштановых почв (средняя концентрация nЧ0,01 мг/кг), где образует ясно выраженные геохимические аномалии. Благодаря хорошей растворимости токсикант распространяется по почвенному профилю на глубину промачивания атмосферными водами, активно вовлекается в водную миграцию с поверхностным стоком и накапливается в бессточных депрессиях рельефа. В то же время диметилгидра-зин активно поглощается растениями, в результате чего его средняя концентрация в степной растительности почти на порядок выше, чем в почве (рис. 16.4). Соответственно размеры аномалий в растительности превышают размеры аномалий в почвах.



Рис. 16.4. Распределение концентраций несимметричного диметилгидра-
зина в почвах (7) и растениях (2) в районе запуска ракет в Центральном
Казахстане (по Н.С.Касимову и др., 1994)

Учитывая химические свойства несимметричного диметилгид-разина, можно предполагать, что в ландшафтно-геохимических условиях гумидных областей он будет более активно вымываться и образовывать менее ясные аномалии в почвах.




16.2. Локальные (импактные) антропогенные биогеохимические аномалии тяжелых металлов

Среди последствий хозяйственной деятельности человеческого общества особо важное значение имеет процесс прогрессирующего накопления металлов в окружающей среде. Различные металлы (как использовавшиеся с отдаленного времени, так и получившие применение недавно) используются в индустриальном производстве в нарастающем количестве. Это хорошо видно на рис. 16.5.

Рис. 16 5. Рост добычи металлов на протяжении XX в.

На графике показан рост добычи руд меди, разрабатывающихся с глубокой древности, и руд молибдена и урана, промышленная разработка которых началась в XX в.
Как видно из приведенных цифр, металлы извлекаются в количестве, непропорциональном их содержанию в земной коре и педосфере, применительно к составу которых развивались формы наземной жизни. Например, кларк алюминия в тысячу раз больше кларка меди, а современная добыча этих металлов очень близка и различается всего в несколько раз. Молибдена в земной коре почти в 100 раз меньше, чем ванадия, а производят молибдена значительно больше.
Самая главная, на первый взгляд парадоксальная, особенность использования металлов в мировом хозяйстве заключается в их активном рассеянии. Пути техногенного рассеяния металлов разнообразны; важнейшим служит выброс в атмосферу при металлургическом переделе руд. Значительная часть металлов теряется еще раньше — при транспортировке, обогащении, сортировке руды. Как указывает А. А. Беус с соавторами (1976), таким путем в 1965 — 1975 гг. во всем мире было рассеяно (тыс. т): меди — 600, цинка — 500, свинца — 300, молибдена — 50.
После получения металлов вся технология современного производства сопровождается их рассеиванием в окружающей среде. Огромные массы металлов используются в химической, бумажной, электротехнической и других отраслях промышленности и уходят с промышленными стоками. Столь же крупные массы металлов истираются и рассеиваются во время работы различных машин и механизмов. Значительная часть некоторых металлов и других рассеянных элементов добывается лишь для того, чтобы их рассеять на поверхности Земли. Примером могут служить производство алкидов свинца, применяющихся в качестве добавок в бензин для автомобилей, а также использование ртути и мышьяка для изготовления ядохимикатов в сельском хозяйстве.
Кроме отраслей промышленности, производящих или использующих металлы, существуют и другие пути их техногенного рассеяния, среди которых особенно важную роль играет сжигание минерального топлива, главным образом каменного угля.
Массы тяжелых металлов, ежегодно поступающие в окружающую среду в результате хозяйственной деятельности человечества, сопоставимы с количеством металлов, участвующих в глобальных процессах массообмена.
Годовая добыча некоторых металлов, прежде всего меди и свинца, значительно превышает и вынос растворимых форм, и годовой захват растительностью.
Как указано в разд. 3.2, из тропосферы непрерывно осаждаются дисперсные частицы, захваченные ветром с поверхности почвы. Оказавшись в тропосфере, эти частицы играют роль центров конденсации и осаждаясь выводят из тропосферы рассеянные химические элементы, поступающие туда с вулканическими и техногенными выбросами. Чем больше промышленные предприятия выбрасывают в воздух тяжелых металлов в составе дыма и пыли, тем выше концентрация металлов в атмосферных осаждениях, поступающих на поверхность почвы. По причине того, что поверхность почвы беспрестанно подвергается смыву дождевыми и талыми водами, взвеси дисперсных почвенных частиц переносятся плоскостным стоком и затем входят в состав пойменных отложений. Таким образом, илистые отложения речных пойм чувствительно отражают уровни содержания рассеянных металлов в атмосфере. В связи со сказанным большой интерес представляет определение тяжелых металлов в донных отложениях рек и озер, дренирующих районы активной индустриализации. Согласно данным Дж. Мура и С. Рамамурти концентрация тяжелых металлов в илах Рейна, протекающего через высокоиндустриализированные районы Западной Европы, с конца XVITI в. по 1975 г. возросла: хрома — в 9, меди и свинца — в 13, цинка — в 19, ртути — в 50 и кадмия — в 100 раз.
После активного обсуждения широкой общественностью и научными кругами проблемы развития технического прогресса и роста загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, завершившегося принятием итоговых документов внеочередной сессии ООН в Стокгольме в 1972 г., в странах Западной Европы и США были предприняты энергичные действия, направленные на ограничение загрязнения тяжелыми металлами. Результаты не замедлили сказаться. Уже в начале 80-х гг. XX в. высокие уровни металлов в донных отложениях рек и озер существенно снизились (рис. 16.6).


Рис. 16.6. Изменение содержания тяжелых металлов в пойменных отложениях низовьев Рейна на протяжении XX в. (по данным Дж.Джапенда и В.Саломонса, из А.И.Перельмана и Н.С.Касимова, 1999)

Однако проблема остается. Если бы выбрасываемые в воздух массы металлов распространялись, как газы, на большое пространство, а затем вымывались из тропосферы дождями и снегом, то их поступление на поверхность всей Мировой суши или даже на поверхность суши Северного полушария не превышало бы пределов природных поступлений, к которым растительные и животные организмы толерантны. Но основная масса металлов индустриальных выбросов выпадает в непосредственной близости от источника эмиссии. В результате живые организмы испытывают импактные (ударные) нагрузки и вокруг предприятия-загрязнителя формируются биогеохимические аномалии.
Тяжелые металлы являются необходимым компонентом биокатализаторов и регуляторов наиболее важных физиологических процессов. По этой причине сильное повышение их концентрации в окружающей среде в высокоактивном рассеянном состоянии оказывает сильное влияние на живые организмы. В первой программе глобального мониторинга (Манн Р., 1973) среди 12 наиболее опасных загрязнителей фигурировало три металла: ртуть, свинец и кадмий. Но уже через несколько лет в докладе исполнительного директора Программы ООН по охране окружающей среды (ЮНЕП) за 1980 г. на втором месте (после проблемы СО2 в связи с глобальными изменениями климата) рассматривалась опасность загрязнения тяжелыми металлами. Среди металлов-загрязнителей помимо трех указанных выше рассматривались семь других: марганец, олово, медь, молибден, хром, никель, кобальт. Это свидетельствует о значительном воздействии импактных техногенных поступлений металлов и близких им элементов на живые организмы и их сообщества.
В пределах техногенных биогеохимических аномалий обычно выделяют две зоны. Первая, непосредственно примыкающая к источнику загрязнения, характеризуется сильным поражением природной экогеосистемы. В этой зоне часто отсутствует растительность, разрушена биокосная система почвы, в значительной мере уничтожены почвенные животные и микроорганизмы. Во второй, более обширной, зоне заметно угнетение, реже — исчезновение отдельных составных частей биоты. На периферии этой зоны природная экогеосистема сохраняется без внешних изменений, но в ее компонентах (почвах, растениях, почвенных животных) отмечено повышенное содержание элементов-загрязнителей, которое, возможно, окажет влияние на последующие поколения.
Вокруг крупного медно-никелевого комбината в Садбери (Канада) зона сильного повреждения имеет радиус 3 — 5 км. Вторая зона распространяется до 20 км В первой зоне биота и почва были практически уничтожены, на поверхность поступало меди и никеля в несколько сотен и даже тысяч раз больше по сравнению с глобальным фоном. Концентрация никеля в почве по направлению от источника убывает очень быстро в степенной зависимости. На территории второй зоны происходит постепенное убывание концентрации по линейной зависимости до уровня местного геохимического фона. В этой зоне имеет место угнетение лишь отдельных видов растений и животных.
Аналогичная ситуация сложилась на севере Сибири в районе крупного Норильского металлургического комбината, а также на Кольском полуострове в результате деятельности двух медно-ни-келевых комбинатов. Вокруг них образовались обширные биогеохимические аномалии, в центральной части которых концентрация никеля и меди превышала фоновую более чем в 100 раз Одна из этих аномалий распространяется на северную часть Норвегии (рис. 16.7).
В степных ландшафтах протяженность техногенных геохимических аномалий увеличивается — заводы цветной металлургии сопровождаются ореолами рассеяния свинца, цинка, меди, мышьяка с радиусом от 5 до 20 км. Вокруг крупного Чимкентского свин-цово-плавильного завода, расположенного в условиях сухих степей Южного Казахстана, ореол техногенного рассеяния распространяется до 25 — 30 км. Содержание металлов-загрязнителей от источника к фону убывает в степенной зависимости независимо от того, является металл главным компонентом или примесью в руде (рис. 16.8).



Рис. 16.7. Загрязнение растительности Кольского полуострова медью (а)
и никелем (б) (по данным А В.Евсеева, 1998)



Рис 16.8. Распределение выпадающих масс металлов на площади импакт-
ной биогеохимической аномалии, образованной свинцово-плавильным)
заводом в г. Чимкент, Казахстан


Концентрация техногенно рассеиваемых элементов в снежном покрове значительно меньше, чем в почве. По сообщению М.А.Тойкка (1980), вокруг небольшого свинцово-плавильного завода в Тиккурила, расположенного в окрестностях Хельсинки (Финляндия), выделяется зона сильного загрязнения почвы с содержанием свинца в 24 раза больше местного геохимического фона (378Ч10-4 % в пахотном горизонте) Ее протяженность около 500 км от завода. Далее до 2 км концентрация металла снижается, но остается в несколько раз выше фоновой. В четырехмесячном покрове снега содержание свинца убывает очень быстро: на расстоянии 100 —- 200 м от завода — 10 — 47 кг/га, на расстоянии 1 км — 1,1 — 1,3 кг/га, на расстоянии 2,5 — 3,5 км — 0,3 — 0,2 кг/га.
Размеры аномалий зависят не только от производительности предприятий, но и от других факторов, длительности работы производства, технологии и др. Весьма важную роль играет высота источника выбросов в атмосферу Согласно расчетам М.Е.Бер-лянда, при высоких дымовых трубах значительная концентрация выбросов создается в приземном слое атмосферы на расстоянии (10— 14)Н, где Н — высота трубы. Для труб высотой 10—15 м максимальные концентрации в воздухе образуются в непосредственной близости от источника.
Соотношения концентрации техногенно рассеиваемых металлов в воздухе, атмосферных осадках, растительности и почве сложные. Вокруг свинцово-плавильного завода, расположенного на Дальнем Востоке в условиях умеренного муссонного климата с осадками около 1000 мм/год, зона максимальных концентраций металлов в воздухе распространяется до 2 км от источника. В этой зоне содержание металлов в приземном слое атмосферы в 100— 1000 раз выше местного геохимического фона, а в снеге — в 500—1000 раз. От 2 до 4 км располагается вторая зона, где концентрация металлов в воздухе примерно в 10 раз ниже, чем в первой. Намечается третья зона протяженностью от 4 до 10 км, в которой лишь отдельные пробы показывают повышенную концентрацию металлов.
Первая и вторая зоны загрязнения приземного слоя воздуха совпадают с зонами разрушения природной экогеосистемы и угнетения растительности. Площадь рассеяния металлов в снеговом покрове меньше, чем в атмосфере, но область осаждения продуктов выбросов на листьях деревьев практически совпадает с распространением высоких концентраций в воздухе. На протяжении существования снежного покрова в пределах первой зоны выпало (г/км2): меди — 2,4, цинка — 5,5, свинца — 615, кадмия — 16,6, мышьяка — 18,8. Во второй зоне поступление (г/км2) свинца — 26, цинка — 3, мышьяка — 1,2.
По мере удаления от источника соотношение разных форм рассеивающихся элементов меняется. В первой зоне водорастворимые формы составляют всего 5—10%, а основную массу выпадений образуют мелкие пылеватые частицы сульфидов и оксидов. С удалением от завода относительное содержание водорастворимых форм свинца возрастает: на расстоянии 1,5 км от завода оно достигает 55 %, а в 4 — 5 км — 80 — 90 %. Следовательно, вблизи источника загрязнения осаждается основная часть твердых пылеватых частиц, а водорастворимые формы переносятся дальше и вымываются из атмосферы осадками.
Теоретически биогеохимические аномалии техногенного происхождения должны представлять собой систему концентрических окружностей, где от источника загрязнения к периферии в растениях и почве убывает концентрация рассеивающегося металла. В реальных условиях под влиянием преобладающих ветров, особенностей рельефа и растительности, режима атмосферных осадков концентричность нарушается, ширина зон сильно меняется. В силу этого биогеохимические аномалии тяжелых металлов могут быть вытянутыми и иметь неправильные очертания.
Конфигурация аномалий в почвенном покрове усложняется соотношением техногенных поступлений металлов с их природными концентрациями в минеральном субстрате почв. В качестве примера рассмотрим геохимические аномалии тяжелых металлов на восточном побережье залива Спенсера (Южная Австралия). Район расположен на прибрежной равнине и остаточном денудационном плато, возвышающемся на 600 м над уровнем моря. Равнина сложена молодыми наносами, в строении плато принимают участие протерозойские кристаллические породы. Плато, вытянутое в виде кряжа в меридиональном направлении, задерживает атмосферные осадки, поступающие с залива. В результате этого на плато выпадает 500 — 600 мм, на равнине — всего 300 — 450 мм осадков в год.
На берегу залива в г. Порт-Пири с 1989 г. действует плавильный завод, который является единственным в районе индустриальным предприятием и источником загрязнения. Австралийские геохимики Б.Картрайт, Р.Мерри и К. Тиллер (1977) изучили содержание металлов в почвенном покрове и установили, что выделяются две геохимические аномалии (рис. 16.9). Одна из них окружает плавильный завод, другая приурочена к остаточному плато. Техногенное происхождение свинцовых аномалий не вызывает сомнений. В породах, слагающих равнину и плато, концентрация металла не превышает 25Ч10-4 %, а в пределах аномалии — больше 50Ч10-4 % (см. рис. 16.9, а). Аномалия вокруг завода образована осаждением из атмосферы продуктов выброса из труб завода и вытянута на юг-юго-восток под воздействием преобладающих ветров. Аномалия свинца, приуроченная к остаточному плато, по-видимому, обусловлена выпадением обильных атмосферных осадков, которые вымывают значительную часть аэрально мигрирующих форм свинца из атмосферы. Наряду с аномалией свинца в почвенном покрове образовались аномалии цинка и кадмия, отличающиеся своими параметрами (см. рис. 16.9, б, в).
Рассеяние металлов осуществляется не только металлургическими и металлообрабатывающими заводами, но и другими промышленными предприятиями. Так как сырье для изготовления фосфорных удобрений содержит примеси меди, цинка, свинца, урана и других элементов, то они рассеиваются вокруг соответствующих заводов. Производство бумаги сопровождается рассеянием ртути. Крупные тепловые электростанции создают ореолы рассеяния оксидов серы и тяжелых металлов в радиусе 10—- 20 км.


Рис. 16.9. Техногенные аномалии свинца (а), цинка (б), кадмия (в)
в районе Порт-Пири, Австралия (по Б.Картрайту и др., 1977)

Своеобразные биогеохимические аномалии свинца образуются вдоль автомагистралей. Тетраалкилы свинца добавляют в бензин в качестве антидетонационного средства для повышения КПД двигателей внутреннего сгорания. С выхлопными газами свинец выносится в форме мелких твердых частиц оксидов, хлоридов, фторидов, нитратов, сульфатов и др. Примерно 20 % частиц имеют размер более 0,005 мм. Они оседают в непосредственной близости от дороги. Более мелкие частицы, составляющие около 60 % выбросов свинца, оседают не так быстро и в пределах относительно широкой полосы. Остальные 20 % захватываются воздушными массами и могут переноситься на значительные расстояния.
Концентрация металла в почве зависит от интенсивности движения автотранспорта. Ширина придорожных аномалий в почве сильно варьирует в зависимости от местных условий и по данным исследований, проведенных в Бельгии, Швейцарии, Германии и других странах, достигает 100 м.
До принятия законов о регулировании добавок свинца в бензин в странах Западной Европы его концентрация в травах, растущих в зоне загрязнения автомагистралей, составляла 40 — 50 мкг/г.
Наиболее сильно загрязнена растительность на расстоянии до 5—10 м от края дороги и растительность газонов, разделяющих полосы движения на шоссе. Зона более низких концентраций распространяется до 50—100 м от края шоссе, но известны случаи и более широких аномалий. На расстоянии 200 — 300 м содержание свинца, как правило, снижается до уровня местного фона. Имеющиеся данные позволяют заключить, что ширина аномалий в растительности колеблется сильнее, чем в почвенном покрове.
При изучении концентрации свинца в древесных посадках вдоль дорог установлено, что максимум загрязнения приходится на интервал 1 — 2 м над уровнем земли, а выше начинает быстро уменьшаться. Таким образом, автотранспортные биогеохимические аномалии свинца имеют сильно вытянутую форму, ограниченную эллипсоидальной поверхностью шириной около 100 м и высотой не более 5 —8 м.
Характерная особенность техногенных биогеохимических аномалий — динамичность и непостоянство их параметров. В значительной мере это связано с тем, что в образовании этих аномалий важную роль играет атмосферная миграция. В случае смены сухой и дождливой погоды и изменения направления ветра конфигурация биогеохимической аномалии в разное время года может быть неодинаковой. В частности, концентрация свинца на поверхности почвы в условиях интенсивного придорожного загрязнения возрастает от весны к осени. То же самое происходит в растениях на протяжении вегетационного периода. Нарастание концентрации металла в почве и растениях, по-видимому, обусловлено постепенной аккумуляцией высокодисперсных частиц, выбрасываемых с выхлопными газами автомобилей. Указанная закономерность нарушается дождями, которые смывают свинецсодержащие осадки с растений и поверхности почвы. Под влиянием ветра распределение свинца в растениях по обе стороны шоссе часто несимметричное (рис. 16.10).

Рис. 16.10. Распределение концентраций свинца в листьях корнеплодов
по профилю, поперечному направлению шоссе Намюр-Марш (Бельгия)

Металлы в урбогенезе. Самая многочисленная группа антропогенных биогеохимических аномалий тяжелых металлов связана с возникновением городов. Каждый город представляет собой небольшой, но полностью антропогенно преобразованный участок биосферы. Городские грунты, почвы и растительность искусственно скомбинированы людьми. Вода находится в закрытой сети водопроводных труб, поступая в которые она получает не свойственные исходному природному ландшафту макро- и микропримеси. В городах в той или иной степени аккумулируются все химические элементы, используемые современной техноцивилизаци-ей, в первую очередь — металлы. При этом процесс урбанизации сопровождается не только неуклонным обогащением исходного ландшафта продуктами технологических и бытовых отходов, но и образованием новых, характерных для этого процесса соединений, форм нахождения и парагенетических ассоциаций металлов.
Не менее сильно изменен состав атмосферы городов, куда поступает основная часть промышленных и строительных выбросов. В качестве показателя, характеризующего интенсивность загрязнения воздушной среды городов может быть использован коэффициент эмиссионной нагрузки, Е, предложенный Н.С. Касимовым и А. И.Перельманом (1991):
Е = P/N,
где Р — масса выбросов, т/год; N — число жителей, тыс. чел.
Используется также показатель пылевой нагрузки, измеряемый в кг/(км2-сут). По данным Н.С.Касимова и А.И.Перельмана, для большей части городов России этот коэффициент составляет 0,1 — 0,2 т на человека в год, возрастая до 0,3 — 0,7 т/год в городах с химической и нефтехимической промышленностью, как, например, Омск, Тольятти, Уфа, Ярославль, и тяжелым машиностроением (Челябинск, Тула). В городах с черной и цветной металлургией и тяжелым машиностроением этот показатель достигает 1 — 3 (Липецк, Нижний Тагил, Ангарск) и даже превышает 2 т/год на человека, как в Череповце и Магнитогорске.

<< Пред. стр.

страница 26
(всего 27)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign