Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Воскресенский В.В. Геохимия и геофизика биосферы - файл GeoXim.doc


Воскресенский В.В. Геохимия и геофизика биосферы
скачать (164.5 kb.)

Доступные файлы (2):

GeoXim.doc853kb.23.04.2001 12:59скачать
GeoX_t.doc45kb.20.04.2001 19:39скачать

содержание
Загрузка...

GeoXim.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9
Реклама MarketGid:
Загрузка...
Министерство образования Российской федерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)


Кафедра радиолектронных технологий и

экологического мониторинга (РЭТЭМ)


Воскресенский В.В.

ГЕОХИМИЯ И ГЕОФИЗИКА БИОСФЕРЫ
Учебно-методическое пособие

2001


Воскресенский В.В.

Геохимия и геофизика биосферы: Учебно-методическое пособие. - Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2001. - 99 с.
Учебно-методическое пособие предназначено для более полного и глубокого усвоения фундаментальных положений и закономерностей геохимии и геофизики биосферы. Приведены программа курса, теоретический, справочный и табличный материалы, имеющие практическую ценность для выполнения контрольного задания и курсовой работы. Представлены варианты контрольных заданий, описаны рекомендации по выполнению курсовой работы и требования к ее оформлению, дан краткий словарь терминов и определений, необходимый для успешного усвоения лекционного курса.

Для студентов вузов, обучающихся по направлениям и специальностям, связанным с экологией, природопользованием, охраной окружающей среды и рациональным использованием природных ресурсов.

Воскресенский В.В., 2001

 Томский межвузовский центр

дистанционного образования, 2001


СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ 3

^ 1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ЛЕКЦИОННОГО КУРСА ДИСЦИПЛИНЫ 5

«ГЕОХИМИЯ И ГЕОФИЗИКА БИОСФЕРЫ» 5

2. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 6

2.1. Эколого-геохимическая оценка 7

состояния окружающей среды 7

2.1.1. Деформация природных биогеохимических циклов 7

хозяйственной деятельностью человека 7

2.1.1.1. Глобальные биогеохимические проблемы 8

2.1.1.2. Региональные биогеохимические проблемы 10

Таблица 2.1 11

Таблица 2.2 11

Ориентировочное распределение масс азота в мировом 11

2.1.2 Локальные антропогенные биогеохимические 12

аномалии тяжелых металлов 12

2.2. Принципы комплексной эколого-геохимической оценки состояния окружающей среды 16

2.2.1. Антропогенные изменения в биосфере 17

2.2.2. Требования к эколого-геохимической оценке состояния биосферы 18

2.2.3. Последовательность выполнения качественной оценки состояния окружающей среды 21

2.2.4. Количественная оценка состояния окружающей среды 21

^ 3. СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ 22

4. ТАБЛИЦЫ 24

Кларки химических элементов гранитного слоя коры континентов 24

Элемент 29

Элемент 29

Средняя концентрация рассеянных металлов 30

в каменном угле и нефти, 110–4 % 30

Концентрация рассеянных элементов в почвенном покрове суши, мкг/г 35

Резервуары 40

серы сульфатов 41

48

^ 5. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ УСВОЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА 49

6. КОНТРОЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 52

6.1. Общие сведения 52

6.2. Варианты контрольных заданий 53

^ 7. КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ 64

«ГЕОХИМИЯ И ГЕОФИЗИКА БИОСФЕРЫ» 64

7.1. Объект исследования 64

7.2. Рекомендации по выполнению 64

7.3. Структура и оформление 65

^ 8. КРАТКИЙ СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЙ 80

ВВЕДЕНИЕ



В курсе геохимии и геофизики биосферы рассматриваются закономерности перемещения и концентрации атомов (ионов) различных химических элементов в зависимости от внутренних и внешних факторов. Внутренние факторы определяются особенностями строения самих атомов (ионов), внешние факторы зависят условий среды, включая формы нахождения как изучаемых элементов, так и элементов, создающих среду, в которой они находятся. В связи с обострением в последнее время экологических проблем особую актуальность приобретает углубленное исследование протекающих в биосфере геохимических и геофизических процессов с целью преодоления уже возникших экологически негативных последствий хозяйственной деятельности человечества и предотвращения их в будущем. По этой причине в современной геохимии и геофизике биосферы значительное место отводится исследованию процессов миграции и концентрации химических элементов, происходящих в биосфере в результате антропогенного воздействия, как в глобальном плане, так и на уровне элементарных ландшафтов.
^ Цель преподавания дисциплины

Целью преподавания дисциплины «Геохимия и геофизика биосферы» является обучение студентов основам знаний в области геохимии и геофизики биосферы, подготовка специалистов, умеющих квалифицированно оценивать эколого-геохимическое состояние окружающей среды.
^ Задачи изучения дисциплины

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

– геохимические и геофизические процессы, происходящие в биосфере Земли;

– общепланетарные закономерности взаимодействия живого вещества с окружающей средой;

– глобальные биогеохимические миграционные циклы химических элементов;

– геохимию природных и природно-антропогенных ландшафтов;

– основы эколого-геохимической оценки состояния окружающей среды;

– типы физических и химических загрязнителей, их трансформацию в биосфере;

– методы обнаружения и количественной оценки загрязнений.
^ В результате изучения дисциплины студент должен уметь:

– использовать геохимические и геофизические показатели для оценки экологического состояния окружающей среды;

– определять типы физических и химических загрязнителей биосферы;

– оценивать количественный уровень физического и химического загрязнения экологических систем.
^ Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо студенту для изучения данной дисциплины:

общая физика; общая химия; общая биология; науки о Земле; геоэкология; общая экология.
^ Самостоятельная работа по учебным пособиям

Основным видом работы студента при дистанционном обучении является самостоятельное изучение учебного и учебно-методического пособий. В учебном пособии представлен теоретический материал, раскрывающий основные закономерности миграции и массообмена химических элементов в биосфере. В списке рекомендуемой литературы даны источники, предназначенные для более широкого и глубокого ознакомления с геохимическими и геофизическими процессами, происходящими в биосфере. В учебно-методическом пособии размещены дополнительный теоретический материал, не вошедший в учебное пособие, краткий словарь терминов и определений, справочные и табличные данные, без которых невозможно успешное владение предметом. Студент найдет также здесь вопросы для самоконтроля, контрольное задание, рекомендации по выполнению и оформлению курсовой работы.

Успешное усвоение дисциплины предусматривает изучение теоретического материала курса, выполнение и оформление контрольного задания и курсовой работы, сдачу компьютерного экзамена.


^

1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ЛЕКЦИОННОГО КУРСА ДИСЦИПЛИНЫ

«ГЕОХИМИЯ И ГЕОФИЗИКА БИОСФЕРЫ»


Введение в дисциплину.

Геохимия и геофизика биосферы – предмет и задачи, место в системе наук об окружающей среде, методологические основы и практическое значение. Цели и задачи курса. Общие сведения.
^ Химический состав литосферы.

Химический состав земной коры как фактор биосферы. Понятие «кларк». Кларки литосферы. Главные и рассеянные элементы. Микроминералогические формы нахождения химических элементов в земной коре. Неминералогические формы нахождения химических элементов в земной коре. Особенности распределения химических элементов в земной коре. Ореолы рассеяния, геохимический фон, геохимические аномалии.
^ Химический состав живого вещества.

Средний химический состав органического вещества растительности Мировой суши. Кларки живого вещества, сухой биомассы и зольного остатка. Микроэлементы. Биологический круговорот химических элементов. Интенсивность биологического поглощения. Природные вариации концентраций химических элементов в организмах суши. Особенности химического состава живого вещества Мирового океана.
^ Химический состав атмосферы.

Общая характеристика стратификации атмосферы. Кларки атмосферы. Биогеохимическая эволюция состава атмосферы. Геохимия и биогеохимия аэрозолей. Атмосферная миграция водорастворимых форм химических элементов.

^ Химический состав гидросферы.

Кларки гидросферы. Состав Мирового океана – результат биогеохимической деятельности организмов. Формы нахождения элементов в природных водах. Дисперсные системы, их свойства. Формирование состава донных отложений вод суши и Мирового океана. Особенности геохимии поверхностных вод суши. Растворимые соединения в речном стоке. Интенсивность миграции химических элементов. Миграция элементов в составе речных взвесей. Природные геохимические аномалии в поверхностных водах суши. Трансформация геохимического состава природных растворов при переходе речных вод в океанические.

^ Химический состав педосферы.

Почва – уникальная природная система. Образование педосферы. Педосфера как регулятор углерод-кислородного массообмена в биосфере. Органическое вещество педосферы. Биогеохимическая трансформация минерального вещества педосферы. Распределение рассеянных элементов в педосфере. Педосфера – регулятор биогеохимических циклов тяжелых металлов.

^ Глобальные биогеохимические циклы элементов.

Общая характеристика биогеохимических круговоротов. Два источника поступления химических элементов в глобальные циклы – мобилизация из земной коры и дегазация. Глобальный цикл натрия. Глобальный цикл хлора. Глобальный цикл углерода. Влияние живого вещества на геохимию кислорода и водорода в биосфере. Глобальный цикл серы. Глобальный цикл азота. Общие черты циклов и распределения масс дегазированных элементов. Глобальный цикл кальция. Глобальный цикл калия. Глобальный цикл кремния. Глобальный цикл фосфора. Общие черты циклов и распределения масс выщелоченных элементов.

^ Миграционные циклы тяжелых металлов.

Особая роль тяжелых металлов в биосфере. Глобальный цинк свинца. Глобальный цикл цинка. Общие черты циклов и распределения масс тяжелых металлов в биосфере.

^ Геохимия природных и природно-антропогенных ландшафтов.

Зональность биогеохимических процессов. Биогеохимическая зональность суши и океана. Геохимическая неоднородность биосферы и природных зон. Элементарный ландшафт (элементарная геоэкосистема) как основная хорологическая единица биосферы Мировой суши. Типоморфные и индикаторные элементы. Биогеохимическая формула элементарного ландшафта. Геохимические классификации природных, природно-антропогенных и техногенных ландшафтов.

^ Загрязнение биосферы.

Экологические проблемы современности. Деформация природных биогеохимических циклов хозяйственной деятельностью человеческого общества. Трансформация и миграция загрязнителей в почве, атмосфере и гидросфере. Глобальные биогеохимические проблемы. Региональные биогеохимические проблемы. Импактные (локальные) антропогенные биогеохимические аномалии тяжелых металлов.

^ Эколого-геохимические оценки состояния окружающей среды.

Методы эколого-геохимических оценок. Экологическое картографирование. Геохимический блок в ГИС.

^

2. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ



Дополнительный теоретический материал соответствует рабочей программе лекционного курса дисциплины «Геохимия и геофизика биосферы». Размещение его в настоящем учебно-методическом пособии представляется целесообразным ввиду полезности представленного материала при выполнении курсовой работы.

^

2.1. Эколого-геохимическая оценка

состояния окружающей среды



Становлению и развитию земной цивилизации всегда в той или иной мере сопутствовали экологические проблемы. Однако то, что было в прошлом, несравнимо с противоречиями, возникающими при взаимодействии человеческого общества и природы в современную эпоху. Хозяйственная деятельность человека оказывает все возрастающее влияние на геохимическое состояние нашей планеты. Загрязнение окружающей среды стало существенным фактором воздействия на глобальную систему биосферы. Уровень загрязнения отдельных территорий создает угрозу для здоровья не только нынешнего, но и будущих поколений людей.

^

2.1.1. Деформация природных биогеохимических циклов

хозяйственной деятельностью человека



Человеческое общество с момента своего появления является важным фактором изменения биосферы. Первоначально деятельность людей отражалась на структуре и динамике живого вещества и почв в ареалах распространения первых цивилизаций. Сжигание и вырубка лесов, распахивание степей, замена природной растительности сельскохозяйственными культурами вносили определенные изменения в биогеохимическую структуру экосистем суши. Вместе с тем механизмы гомеостаза биосферы успешно противостояли антропогенному давлению. Однако начавшаяся в 19-м столетии бурная индустриализация, сопровождаемая демографическим взрывом, привела к разрушению природных ландшафтов, сокращению пахотных угодий, загрязнению окружающей среды, энергетическому кризису и ряду других глобальных экологических проблем.

Развитие промышленного производства обусловило извлечение из недр значительных масс химических элементов. В настоящее время в мире добывается более 100 млрд. тонн минеральных ископаемых. Хозяйственное воздействие человека распространяется не только на наружную часть земной коры, но также на атмосферу и природные воды. Из атмосферы извлекается молекулярный азот, который переводится в реакционноспособные формы. На производственные и бытовые нужды расходуется около 4 тыс. км3 воды в год, что соответствует 10 % объема речного стока.

Одновременно промышленные предприятия выбрасывают в окружающую среду сотни миллионов тонн пыли и газов, в поверхностные воды поступают десятки миллионов тонн бытовых, промышленных и сельскохозяйственных стоков. С середины ХХ в. некоторые химические элементы используются для обеспечения индустриального производства в количествах, сопоставимых с массами, мигрирующими в глобальных биогеохимических циклах. В результате современное человеческое общество выступает в роли мощного геохимического фактора, изменяющего и перераспределяющего миграционные потоки огромных масс химических элементов. Производственная деятельность человека оказывает воздействие как на глобальные биогеохимические циклы, так и на биогеохимические процессы, происходящие на ограниченных территориях.

^

2.1.1.1. Глобальные биогеохимические проблемы



Загрязняющий компонент может распространяться в зависимости от особенностей циклов массообмена на весьма ограниченный участок земной поверхности, на более или менее значительную территорию или всю биосферу. Одной из глобальных проблем является рост концентрации углекислого газа в атмосфере, связанный с хозяйственной деятельностью человека.

Изобретение паровой машины положило начало ускоренному росту добычи каменного угля, используемого в качестве топлива. Широкое распространение двигателей внутреннего сгорания сопровождалось бурным развитием нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности. В начале XIX в. добыча угля составляла около 30 млн. т/год, в 1900 г. – 700 млн., в 1951 г. – 1918 млн., в 1990 г. потребление угля составило 4,1 млрд. тонн. С середины XIX в. началась эксплуатация нефтяных месторождений. В 1900 г. в мире было добыто менее 30 млн. тонн нефти, в 1990 г. потребление нефти составило 2,7 млрд. тонн. Потребление газа с 1937 г. по 1990 г. увеличилось в 25 раз и составило около 1,91012 м3. Таким образом, природные соединения углерода используются в столь значительном количестве, что это сопоставимо с крупным природным процессом.

Сжигание горючих ископаемых способствует накоплению в атмосфере массы углекислого газа. В середине ХIX в. концентрация СО2 в атмосфере составляла около 29010–4 % объема, через 100 лет – 31310–4 %, в 1978 г. – 33010–4 %, в 1990 г. – 35310–4 %. По расчетам исследователей, в результате сжигания минерального топлива было выделено до 1978 г. около 140 млрд. тонн углерода в составе СО2. Анализ динамики концентрации углекислого газа в атмосфере показал, что его масса в атмосфере увеличивается за последние годы на 2,2 млрд. т/год. Индустриальные источники выбрасывают в атмосферу в составе СО2 около 5 млрд. т/год углерода, что примерно в 15 раз меньше количества данного элемента, ассимилируемого при фотосинтезе растительности Мировой суши.

По мнению некоторых ученых, содержание СО2 в атмосфере будет ежегодно возрастать примерно на половину количества углекислого газа, образующегося при сжигании ископаемого топлива. И, если потребление минерального топлива будет по-прежнему возрастать на 4 % в год, концентрация СО2 в атмосфере к началу XXI в. составит 38010–4 %. Следует отметить, что определенный вклад в увеличение содержания СО2 в атмосфере вносят лесные пожары и сжигание дров, благодаря чему в атмосферу поступает около 4,8 млрд. т/год углекислого газа, однако половина этого количества вновь захватывается растительностью.

Рост концентрации углекислого газа в атмосфере опасен не сам по себе, но тем, что ведет к повышению температуры воздуха благодаря «парниковому эффекту» – разогреванию нижних слоев атмосферы, вызываемому поглощением инфракрасного излучения земной поверхности. Существующие модели позволяют получать представления о возможных изменениях средней температуры у поверхности Земли с увеличением концентрации парниковых газов ( к таковым, кроме СО2, относятся метан, хлорфторуглероды, оксиды азота, которые выделяются также и при сжигании ископаемого топлива). По данным Международной группы экспертов по проблеме изменения климата (МГЭИК), отмечается высокая корреляция между ростом концентрации парниковых газов и повышением глобальной температуры атмосферы. Таким образом, уже не подвергается сомнению тенденция к глобальному потеплению.

Средняя температура у поверхности Земли с середины XIX в. увеличилась на 0,6 0С. По оценкам экспертов Всемирной метеорологической службы, существующий уровень выбросов парниковых газов обусловит повышение средней глобальной температуры в текущем столетии на 0,25 оС за 10 лет. К концу XXI в. ее повышение может составить от 1,5 до 4 оС (по разным моделям). Потепление климата скажется на биосфере в целом, но в наибольшей мере – на северных и средних широтах. Согласно одним моделям, изменение климата вследствие антропогенного роста концентрации парниковых газов будет выражаться, прежде всего, в перераспределении влаги на поверхности планеты и увеличении различных аномалий сезонного, годового и межгодового масштабов. В соответствии с другими моделями, уже к 2050 г. повысится почти на 0,5 м уровень Мирового океана за счет таяния 30 млн. км3 ледников и примерно такого же количества морских льдов. Затопление густонаселенных прибрежных территорий вызовет сложные ситуации в экономике и организации мирового хозяйства. Таким образом, усиление разбалансированности глобального цикла массообмена углерода ведет к обострению экономических, социальных и, следовательно, политических проблем.

Привлекает внимание такое последствие сжигания возрастающих масс каменного угля, как изменение изотопного состава растений и всего живого вещества Земли. Каменный уголь является продуктом глубокой трансформации органического вещества растительного происхождения. Поскольку в процессе фотосинтеза предпочтительно поглощаются легкие изотопы углерода, постольку можно ожидать, что сжигание угля и поступление в атмосферу углекислого газа, обогащенного 12С, должно вести к обогащению живых организмов легким изотопом углерода. И действительно, исследуя годовые кольца стволов деревьев, американский биогеохимик Б. Болин (1985) показал, что по мере развития хозяйственной деятельности человека растительность обогащается изотопом 12С.

Сжигание огромных масс ископаемого топлива сопровождается расходованием еще бóльших масс кислорода, что является также не менее важной проблемой. Свободный кислород накопился в атмосфере только благодаря захоронению органического углерода. Интенсивное сжигание минерального топлива способствует связыванию значительного количества кислорода в составе образующегося СО2. На сжигание в составе минерального топлива 5 млрд. тонн углерода расходуется в течение года более 13 млрд. тонн кислорода. Такая масса в сравнении с 230 млрд. тонн кислорода, участвующим в биологическом круговороте на Мировой суше, представляется незначительной. Однако следует учитывать, что основная часть выделяющегося при фотосинтезе кислорода должна быть израсходована на разложение продуктов опада. За счет отмершего, но не разложенного до СО2 органического вещества ежегодно в атмосфере остается, по расчетам О.П Добродеева, около 1,55 млрд. тонн кислорода, что в 9 раз меньше массы кислорода, расходуемого на сжигание ископаемого топлива.

Кроме того, кислород расходуется на окисление различных газов, выделяющихся из недр Земли, – это количество кислорода пока не поддается оценке. Значителен расход кислорода на окисление выплавляемых промышленностью металлов, главным образом железа. Ежегодно в мире выплавляется около 700–800 млн. тонн стали. Примерно 10 % этого количества окисляется, на что расходуется около 340 млн. т/год кислорода.

Биосфера в целом пока справляется с окислением техногенных продуктов, однако поглощение кислорода достигло такого уровня, что уже становится необходимым контроль над глобальным биогеохимическим циклом этого элемента.

^

2.1.1.2. Региональные биогеохимические проблемы



В природные циклы массообмена, охватывающие экогеосистемы крупных регионов, ощутимый дисбаланс вносят отходы промышленных предприятий и транспорта. Более 95 % техногенных выбросов соединений серы приходится на химически весьма агрессивный диоксид серы. При сжигании каменных углей, содержащих сульфиды железа, и нефти, в которой постоянно присутствуют серусодержащие органические соединения, происходит основная эмиссия SO2. При выплавке металлов также выделяются в атмосферу крупные массы диоксида серы. Общемировой техногенный выброс серы в атмосферу в 1990 г. оценивается в 100 –110 млн. тонн. Осаждаясь с атмосферными осадками, оксиды серы поражают растительность, почвенную биоту, подкисляют водоемы, вызывают заболевания населения.

Вследствие неравномерного распределения техногенных оксидов серы поражаются отдельные территории. Жидкие (в виде дождей) кислые осадки выпадают преимущественно в скандинавских странах и Канаде, в сухом виде (аэрозоли) – на среднем западе США, в Чехословакии. Наиболее сильно загрязнена SO2 атмосфера в Финляндии, Люксембурге, Чехословакии, Венгрии, Канаде. В Финляндии, Швеции, Норвегии, Нидерландах и Австрии загрязнение атмосферы оксидами серы вследствие трансграничного переноса намного превышает выбросы их собственной промышленности. От кислотных дождей в ФРГ погибло 1500 га леса, в Швеции в 2000 озер исчез лосось. На территории бывшего СССР площадь существенного закисления от дождей и снега достигла 46 млн. га – в основном за счет переноса подкисленных осадков из Западной Европы в Прибалтику, Карелию, на весь Северо-Запад России. Очень опасно подкисление океанических мелководий, ведущее к невозможности размножения многих беспозвоночных животных, что может вызвать разрыв пищевых сетей и глубокое нарушение экологического равновесия в Мировом океане.

Сельскохозяйственное производство оказывает существенное влияние на природные биогеохимические циклы некоторых химических элементов. В сфере земледелия в настоящее время находится около 15 млн. км2, т.е. около 10 % от площади всей суши. Структура биологического круговорота на площади земледелия трансформирована. Находившаяся в биогеохимическом равновесии с окружающей средой природная растительность заменена сельскохозяйственными культурами, которые способны существовать в условиях данных экогеосистем лишь благодаря человеку. Образующаяся продукция возвращается в почву не полностью, так как частично удаляется в виде урожая. В систему биологического круговорота искусственно вводятся значительные массы азота, калия, фосфора и воды. Одновременно в результате механического нарушения почвы активизируются процессы эрозии и выноса химических элементов за пределы обрабатываемых площадей.

Обеспечение растущего населения Земли продуктами питания – одна из актуальных проблем современности. Поэтому расширяются старые и строятся новые горные предприятия, химические комбинаты для переработки горно-химического сырья в минеральные удобрения. Главным мероприятием в повышении урожайности является увеличение доз вносимых минеральных удобрений, т.е. искусственное включение масс химических элементов в биологический круговорот.

Анализ масс миграционных потоков азота и фосфора показал, что количество этих элементов, искусственно включаемых в систему биологического круговорота, уже в 1970 г. превышало соответствующие массы, вовлекаемые в водную миграцию естественным путем (табл. 2.1).

Таблица 2.1



^ Промышленная продукция и природная миграция масс

азота, калия и фосфора, 106 т/год (по В.В. Добровольскому, 1998)


Процесс

Элементы

азот

калий

фосфор

Ежегодное промышленное производство (N)

Или добыча (P и K)

Вынос речными водами (до широкого загрязнения вод):

в растворимой форме

во взвесях

Поступление с атмосферными осадками на сушу

(до широкого загрязнения тропосферы)

Содержание в продукции восстановленной

природной растительности


60*

18

6
50
3500


16

61

283
65
1800


40

0,8

20

нет

данных
3550


* – без учета массы технологических отходов и бытовых выбросов, составляющих около 40106 т/год.

Привлекает внимание сложившееся распределение масс азота в мировом сельском хозяйстве. Из табл. 2.1 и 2.2 видно, что в обрабатываемые почвы мира вносилось с минеральными удобрениями в 1970 г. около 30 млн. т/год азота, в 1990 г. – около 60 млн. тонн, а в 2000 г. прогнозируется внесение 120 млн. тонн.

Таблица 2.2




^

Ориентировочное распределение масс азота в мировом


сельскохозяйственном производстве, 106 т

(Круговорот веществ в природе, 1980)


Показатели

1970 – 1971 гг.

2000 г. (прогноз)
Вынос с урожаем

Внесение с удобрениями:

минеральными

органическими

106

59

32

27

212

165

120

45


Агрохимическая интенсификация сельского хозяйства породила проблему азота, имеющую особое биогеохимическое и экологическое значение. Во-первых, искусственное введение крупных масс азота в обрабатываемые почвы ведет к разбалансированности массообмена элемента в системе «почва – растительность». Не вовлеченные в биологический круговорот избыточные массы азота активно участвуют в водной миграции. В результате соединения азота аккумулируются в геохимически подчиненных экогеосистемах (отрицательных элементах рельефа, озерах, а также водохранилищах, образованных плотинами гидроэлектростанций). Повышение концентрации азота вызывает усиленный рост водной растительности, зарастание водоемов, перегрузку их мертвыми растительными остатками и продуктами разложения. Во-вторых, аномально высокая концентрация в почве растворимых соединений азота влечет за собой повышенное их содержание в сельскохозяйственных продуктах питания и питьевой воде. Поступающие с пищей и водой в организм человека нитриты и относительно нетоксичные нитраты образуют соединения, которые нередко являются канцерогенными (например, нитрозоамины) или нарушают кислородный обмен в крови и вызывают метгемоглобинемию (повышенное содержание метгемоглобина в крови), что сопровождается серьезными заболеваниями, особенно у детей.

Имеющиеся данные говорят о том, что в настоящее время нормальное функционирование глобального цикла азота сохраняется благодаря незамкнутости природных циклов массообмена, связывающих отдельные экогеосистемы. Вместе с тем в некоторых сельскохозяйственных регионах избыточные массы азота не могут быть вовлечены в биологический круговорот и захватываются в водную миграцию, что нарушает нормальное функционирование биогеохимически подчиненных экогеосистем в районах интенсивного сельскохозяйственного производства.

^

2.1.2 Локальные антропогенные биогеохимические

аномалии тяжелых металлов



Особо важное место среди многих последствий хозяйственной деятельности человека занимает процесс прогрессирующего накопления в окружающей среде тяжелых металлов. Начиная с глубокой древности, количество металла, используемого в хозяйственной деятельности, постоянно возрастает. В настоящее время общемировая добыча металлов характеризуется следующими величинами, т/год:

железо – n 108 ;

медь, свинец, цинк – n 107 ;

алюминий, марганец – n 106 ;

никель, олово – n 105 ;

ванадий, вольфрам, кадмий, кобальт, молибден, уран – n 104 ;

ртуть, серебро – n 103 .
Из приведенных цифр следует, что металлы извлекаются в количестве, непропорциональном их содержанию в земной коре и педосфере, применительно к составу которых развивались формы наземной жизни. Например, алюминия в земной коре в тысячу раз больше, чем меди, а производимые в настоящее время количества этих металлов различаются всего лишь в несколько раз. Кларк молибдена меньше кларка ванадия почти в сто раз, а производят молибдена намного больше.

Главной особенностью использования металлов в мировом хозяйстве является их активное техногенное рассеивание. Основной вклад в процесс рассеивания вносят атмосферные выбросы при металлургическом переделе руд. По расчетам А.А. Беуса и др. (1976), значительные массы металлов рассеиваются также при транспортировке, обогащении, сортировке руды. В 1965–1975 гг. таким путем в мире было рассеяно (тыс. т): меди – 600, цинка – 500, свинца – 300, молибдена – 50. Важную роль играет сжигание минерального топлива, главным образом каменного угля.

Современная технология использования металлов сопровождается их рассеиванием в окружающей среде. Крупные массы металлов, применяемых в химической, бумажной, электротехнической и других отраслях промышленности, попадают в промышленные стоки. Не меньшие массы истираются и рассеиваются в процессе работы различных механизмов и машин. Значительное количество металлов и других рассеянных элементов добывается лишь с целью последующего их рассеивания на поверхности Земли. В качестве примеров могут служить производство алкидов свинца, применяющихся в виде добавок в бензин для автомобильного транспорта, использование мышьяка и ртути при изготовлении ядохимикатов для сельского хозяйства.

Ежегодно поступающее в окружающую среду количество техногенных тяжелых металлов сопоставимо с массами металлов, участвующих в глобальных процессах массообмена (таблица 2.3).

Таблица 2.3


^ Массы тяжелых металлов, вовлекаемых в техногенную и природную миграцию, 103 т/год (по В.В. Добровольскому, 1998)


Элемент

Годовая добыча

Выделение при сжигании каменного угля (данные на 1980 г.)

Захват годовым приростом растительности суши

Вынос растворенных форм с речным стоком

Mn

Cu

Zn

Pb

Cr

Ni

Sn

Mo

Co

Cd

8500

6000

4400

2400

2000

560

180

73

26

26

430

30

140

27

49

14

3

6

5

2

41 400

1376

5160

215

309

344

43

86

86

8,5

440

287

820

44

41

123

21

37

10

8,2


Из приведенных в табл. 2.3 данных следует, что массы марганца и хрома, поступающие в биосферу в течение года при сжигании каменного угля, близки к их массам, выносимым в растворимых формах годовым речным стоком со всей суши. Годовая добыча меди, свинца, олова и кадмия превышает сумму масс выноса растворенных форм и захвата годовым приростом растительности.

Если бы металлы, выбрасываемые в воздух, распространялись подобно газам на значительное пространство, и затем вымывались из тропосферы осадками, то их поступление на поверхность Мировой суши не превышало бы уровня природных поступлений, к которым живые организмы толерантны. Однако бóльшая часть массы металлов техногенных выбросов оседает вблизи источников эмиссии, и в результате вокруг предприятий-загрязнителей формируются биогеохимические аномалии, обусловливающие импактные (ударные) нагрузки на живые организмы.

Как известно, в составе биокатализаторов и регуляторов важнейших физиологических процессов тяжелые металлы являются необходимым компонентом. По этой причине значительное повышение концентрации тяжелых металлов в высокоактивном рассеянном состоянии в окружающей среде оказывает сильное влияние на живые организмы. В начале 70-х гг. ХХ в. специалисты в области глобального мониторинга среди 12 наиболее опасных загрязнителей отмечали ртуть, свинец и кадмий. Но уже в 1980 г. к указанным трем металлам добавились еще семь: кобальт, марганец, медь, молибден, никель, олово, хром. Проблеме загрязнения тяжелыми металлами эксперты ООН отвели второе по важности место (после проблемы углекислого газа в связи с глобальными изменениями климата). Таким образом, была подчеркнута высокая значимость воздействия импактных техногенных поступлений металлов и близких им элементов на живое.

В пределах техногенной биогеохимической аномалии обычно образуются две зоны. Для одной их них, непосредственно примыкающей к источнику загрязнения, характерно сильное поражение природной экогеосистемы: отсутствует растительность, разрушена биокосная система почвы, почвенная фауна и микроорганизмы в значительной мере уничтожены. В более обширной второй зоне наблюдается заметное угнетение, реже исчезновение отдельных составных частей биоты. Без внешних изменений остается лишь периферическая часть этой зоны, однако в почвах, растениях, почвенных животных отмечается повышенное содержание элементов-загрязнителей, что может сказаться на последующих поколениях.

Размеры аномалий, их конфигурация, расположение относительно источника выбросов, соотношения концентрации техногенно рассеиваемых металлов в воздухе, атмосферных осадках, растительности и почве зависят сложным образом от производительности предприятия, длительности его работы, технологии, особенностей местного рельефа и растительности, климатических условий и др. Очень важную роль играет высота источника выбросов в атмосферу. При высоких дымовых трубах максимальные концентрации загрязнителей в приземном слое атмосферы образуются обычно на расстоянии 10–14 высот трубы, для труб высотой 10–15 м – в непосредственной близости от источника.

В окрестности свинцово-плавильного завода, расположенного на Дальнем Востоке в условиях умеренного муссонного климата с осадками около 1000 мм/год, максимальные концентрации металлов в приземном слое атмосферы регистрируются на расстоянии до 2 км от источника (Геохимия зоны гипергенеза, 1976). Содержание металлов в приземном слое воздуха в этой зоне в 100–1000 раз выше местного геохимического фона, а в снеге – в 500–1000 раз. Вторая зона располагается на удалении 2–4 км от источника и характеризуется концентрацией металлов в воздухе примерно в 10 раз меньшей, чем в первой зоне. На расстоянии от 4 до 10 км намечается третья зона, в которой лишь отдельные пробы имеют повышенную концентрацию металлов. Первая и вторая зоны техногенного загрязнения приземного слоя атмосферы совпадают с зонами разрушения природной экогеосистемы и угнетения растительности.

Следует отметить, что по мере удаления от источника выбросов меняется соотношение форм рассеиваемых элементов. Основную массу выпадений в первой зоне составляют мелкие пылевидные частицы сульфидов и оксидов, а водорастворимые формы составляют лишь 10–15 %. По мере удаления от источника относительное содержание водорастворимых форм свинца возрастает: 55 % на расстоянии 1,5 км и 80–90 % на расстоянии 4–5 км. Таким образом, основная часть твердых пылевидных частиц оседает вблизи источника, а водорастворимые формы переносятся дальше и выпадают из атмосферы с осадками.

Кроме металлургических и металлообрабатывающих производств в рассеивание металлов вносят определенный вклад и другие промышленные предприятия. Так, используемое для изготовления фосфорных удобрений сырье содержит примеси меди, свинца, урана, цинка, поэтому указанные элементы рассеиваются в окрестностях соответствующих предприятий. Производство бумаги сопровождается рассеиванием ртути. Мощные тепловые электростанции создают ореолы рассеяния тяжелых металлов и оксидов серы в радиусе 10–20 км. Любой город является источником рассеяния тяжелых металлов и изменяет их содержание в растительности в радиусе до 2–3 км.

Вдоль автомагистралей образуются биогеохимические аномалии свинца. Добавка в автомобильный бензин тетраалкилов свинца в качестве антидетонатора обусловливает присутствие в выхлопных газах свинца в форме мелких твердых частиц нитратов, оксидов, сульфатов, хлоридов, фторидов и др. Около 20 % частиц имеют размеры более 0,005 мм и оседают вблизи магистрали. Частицы, имеющие меньшие размеры и содержащие около 60 % выбросов свинца, оседают медленнее и в пределах относительно широкой полосы. Остальные 20 % захватываются воздушными потоками и переносятся на более или менее значительные расстояния. Концентрация свинца в почве зависит от интенсивности движения автотранспорта, наибольшие значения, например, для Западной Германии – 600 – 700 мкг/г. Ширина придорожных аномалий варьирует в зависимости от местных условий и может достигать 100 м. В странах Западной Европы до принятия законов о регулировании добавок свинца в бензин содержание свинца в придорожных травах достигало 40–50 мкг/г.

Наиболее сильное загрязнение растительности отмечается на расстоянии до 5–10 м от края шоссе и в газонах, разделяющих полосы движения. Зона меньших концентраций распространяется чаще всего до 50–100 м от края автомагистрали, хотя бывает и более широкой. На расстоянии 200–300 м концентрация свинца, как правило, соответствует уровню местного фона. Ширина аномалий в растительности колеблется сильнее, чем в почвенном покрове. Максимум загрязнения свинцом в древесных посадках вдоль автодорог приходится на интервал 1–2 м над уровнем земли, а выше начинает быстро спадать.

Характерной особенностью техногенных биогеохимических аномалий является непрерывное изменение их параметров, что в значительной мере связано с атмосферной миграцией, играющей важную роль в образовании этих аномалий. Так, смена сухого периода на дождливый, изменение направления ветра влияют на конфигурацию аномалии. Содержание свинца на поверхности почвы в условиях интенсивного придорожного загрязнения возрастает от весны к осени. То же самое наблюдается у растений на протяжении вегетационного периода. Постепенная аккумуляция высокодисперсных частиц, выбрасываемых с выхлопными газами, обусловливает нарастание концентрации свинца в почве и растениях. Дожди, смывающие свинецсодержащие осадки с поверхности почвы и растений, нарушают эту закономерность. Изменение направления ветра приводит к несимметричному распределению металла в растениях по обе стороны автомагистрали.

Биогеохимическая обстановка, сложившаяся в промышленных центрах и крупных городах, вызывает тревогу. Атмосфера городов насыщена техногенными газами и аэрозолями, сильно загрязнена тяжелыми металлами, в первую очередь, свинцом от двигателей внутреннего сгорания. Разнообразные химические элементы и соединения аккумулируются в промышленных и бытовых отходах. На городские свалки ежегодно поступают тяжелые металлы в количестве, сопоставимом с продукцией горнорудных предприятий. Вместе с ростом массы отходов повышается уровень концентрации тяжелых металлов в почвенном покрове и растительности в окрестностях городов.

Современные мегаполисы и индустриальные урбанизированные агломерации предстают в качестве огромных техногенных и биогеохимических аномалий. Геохимически аномальная окружающая среда оказывает негативное влияние на состояние здоровья живущих и будет иметь непредсказуемые последствия для последующих поколений.

^

2.2. Принципы комплексной эколого-геохимической оценки состояния окружающей среды



Непрерывно возрастающее загрязнение биосферы, сопровождающее различные техногенные процессы, обусловливает актуальность комплексной объективной оценки состояния окружающей среды и разработки научно обоснованного прогноза происходящих изменений, который должен лежать в основе решений, принимаемых в области охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.

Разумное ведение хозяйства должно согласовываться с конкретными природными условиями и эколого-геохимической обстановкой, сложившейся под воздействием предыдущей антропогенной деятельности в исследуемом районе. Эколого-геохимическая оценка состояния окружающей среды может отражать тенденции развития рассматриваемых процессов, быть качественной и количественной. Накопленный опыт показывает, что оценка состояния окружающей среды должна проводиться поэтапно в определенной последовательности.

Вначале проводятся исследования с целью установления тенденции развития конкретных процессов и их качественной оценки, затем переходят к количественной оценке. После количественной оценки общего состояния окружающей среды изучаемого региона приступают к эколого-геохимической оценке последствий конкретных природных и техногенных процессов. Эта часть работы также может быть подразделена на качественную и количественную.

Практически невозможно оценить влияние деятельности конкретных загрязнителей на биосферу в целом, так как биосфера слишком велика по сравнению даже с самыми крупными территориально-промышленными комплексами и происходящие в ней техногенные изменения являются следствием деятельности всего человечества на разных участках планеты. Поэтому изучать последствия деятельности конкретных загрязнителей следует в геохимических ландшафтах, составляющих биосферу и являющихся (как и она) биокосными системами.

Данные палеонтологии, исторической геологии и геохимии доказывают, что биосфера является динамической системой. В истории Земли происходили весьма существенные изменения концентраций многих химических элементов, находящихся в форме водных растворов, газовых смесей, в минеральной форме. В некоторых случаях эти изменения затрагивали отдельные, довольно крупные участки планеты, в других – всю ее поверхность. На отдельных участках земной коры изменились даже концентрации определенных элементов, что говорит об изменениях направленности процесса «концентрация ↔ рассеяние». При этом изменение общей экологической обстановки не всегда можно характеризовать как катастрофическое.

Растущая эколого-геохимическая значимость техногенных процессов последних десятилетий позволяет сопоставлять деятельность людей с глобальными геологическими и геохимическими явлениями. Если не принимать в расчет довольно редкие планетарные катастрофы, то оказывается, что скорость техногенных изменений резко превышает скорость природных. По этой причине начинаются процессы мутации и вымирания определенных видов организмов, не сумевших приспособиться к изменившимся условиям.

^

2.2.1. Антропогенные изменения в биосфере



В биосфере под воздействием различных антропогенных процессов происходит целый ряд эколого-геохимических изменений глобального значения: перемещение громадного (сравнимого с планетарной деятельностью рек) количества горных пород и почв; изменение концентраций многих химических элементов на больших площадях в почвах, водах, живых организмах; изменение климатических условий как в региональном, так и в планетарном масштабе, связанное с техногенным увеличением содержания в атмосфере углекислого газа, углеводородов, фреонов, озона, а также строительством гигантских водохранилищ, осушением болот, уничтожением лесов и т.д. Эколого-геохимические изменения вызывают мутации, болезни и гибель определенных видов живых организмов, включая человека.

Для оценки по единой методике различных по размерам и последствиям техногенных изменений в биосфере необходимо решить проблему систематизации происходящих эколого-геохимических изменений. Основываясь на подходе к данной проблеме с позиций миграции – концентрации химических элементов, В.А. Алексеенко предложил (1982) объединить все важнейшие изменения в четыре основных вида:

– изменения концентрации химических элементов (их соединений) в пределах отдельных частей биосферы;

– изменения формы нахождения химических элементов (и даже видов соединений элементов при одной и той же форме их нахождения) в пределах отдельных частей биосферы;

– появление на отдельных участках в больших количествах техногенных соединений, практически не имеющих природных аналогов или не характерных для данных природных условий;

– механическое перемещение значительных масс химических элементов (они могут находиться в различных формах и образовывать различные виды соединений) без существенного изменения формы нахождения составляющих их химических элементов.

Перечисленные виды изменений могут быть оценены и качественно, и количественно. Таким образом, с позиций перемещения и концентрации химических элементов (их соединений) можно оценить состояние окружающей среды и происходящие в ней природные и антропогенные изменения. При этом любая количественная оценка изменений геохимических ландшафтов проводится с учетом форм нахождения химических элементов, что дает возможность охарактеризовать с единых позиций такие разные явления как, например, вырубка лесов, загрязнение рек в результате сброса сточных вод, загрязнение через атмосферу природных территорий и т.д.

^

2.2.2. Требования к эколого-геохимической оценке состояния биосферы


Оценка любого процесса или явления проводится с соблюдением следующих общих требований:

1. Оценка должна быть объективной. Из этого требования вытекают два последующих.

2. Объективно выполненная оценка должна быть воспроизводимой при аналогичных внешних условиях. С выполнением этого требования связан мониторинг окружающей среды. При отсутствии последующих изменений результаты повторной оценки должны практически полностью совпадать с результатами первой оценки. При выполнении условий воспроизводимости отличия в результатах следующих друг за другом оценок следует считать изменениями, происшедшими в окружающей среде за период между первой и последующими оценками состояния одного и того же изучаемого участка биосферы.

3. При условии выполнения двух предыдущих требований оценку следует осуществлять по единой методике, обеспечивающей выражение оценки в единых общепринятых единицах измерения и возможность отражения полученной информации в виде специального картографического материала.

4. Результаты проводимой оценки определенного участка биосферы (геохимического ландшафта или группы ландшафтов) должны быть конкретными, легко доступными для восприятия, наглядными. Данное требование выполняется почти автоматически при реализации всех предыдущих.
Эколого-геохимическая оценка, проводимая на современном уровне, должна также соответствовать ряду специфических требований, важнейшими из которых являются следующие (В.А. Алексеенко, 2000):

1) При оценке состояния биосферы или ее отдельных частей следует учитывать, что и сама биосфера, и составляющие ее геохимические ландшафты являются очень сложными биокосными системами. Все живые организмы, объединенные в биогенную форму нахождения химических элементов, существенно отличаются от косного (неживого) вещества. По этой причине при любой оценке биокосных систем (даже при подсчете общих масс химических элементов) биогенная форма нахождения должна рассматриваться отдельно. Однако в составе геохимических ландшафтов находятся и такие самостоятельно обособляющиеся и подвергающиеся изменениям биокосные системы, как почвы, подземные и поверхностные воды, атмосфера. Эти системы также должны подвергаться самостоятельному изучению. Таким образом, в итоге необходима комплексность исследований при выполнении работ по оценке состояния биосферы.

Отсутствие комплексности исследований может привести к появлению дезинформации вместо объективной информации. Последствия недавно начавшихся техногенных процессов могут иметь различные скорости их проявления в различных частях ландшафтов, – в результате могут возникнуть особенно существенные ошибки при оценке изучаемых последствий. Исследование только отдельных частей дает неполную информацию, которая может послужить основой принятия неверных решений.

2) Методика работ по оценке состояния отдельных участков биосферы должна обеспечивать возможность постепенного перехода от экспрессной качественной оценки к количественной и экономической. С использованием тех же методических подходов следует выполнить при необходимости эколого-геохимическую оценку результатов отдельных техногенных процессов. Лишь при соблюдении этого условия обеспечивается преемственность работ, выполненных на разных этапах исследований, возможность использования результатов предыдущих исследований, а также практическая основа для проведения мониторинга.

3) Оценка состояния окружающей среды требует соблюдения определенной последовательности проведения исследований, исключающей ошибки, связанные с неправильным выбором района работ и масштаба исследований.

В.А. Алексеенко выделяет (1989, 1990) следующие основные стадии работ по оценке состояния окружающей среды:

  • региональные работы в масштабе 1:500 000 – 1:200 000 (очень редко, при проведении оценки в больших биосферных структурах масштаб региональных можно уменьшить до 1:1 000 000 – 1:2 000 000);

  • среднемасштабные работы (1:100 000 – 1:50 000);

  • крупномасштабные работы (1:25 000 – 1:10 000);

  • режимные наблюдения и оценка состояния населенных пунктов с масштабом исследований крупнее 1:10 000.

С целью обобщения работ различных исследователей допустимо выполнение глобальной оценки состояния окружающей среды как для всей биосферы в целом, так и для очень больших регионов. Как правило, масштаб таких исследований меньше 1:5000 000.

При выполнении оценки состояния окружающей среды (и прежде всего в малоисследованных регионах) следует начинать исследования с региональных работ с постепенным переходом от одной стадии к другой. Однако в виде исключений допустимы и некоторые изменения в последовательности выполнения работ:

– в новых районах, на площадях, расположенных вблизи крупных городов или территориально-промышленных комплексов, среднемасштабные исследования можно проводить раньше региональных;

– крупномасштабные исследования можно проводить непосредственно после региональных исследований на аномальных участках, выявленных по результатам работ первой стадии;

– в отдельных случаях можно начинать работы с режимных наблюдений, а также с оценки эколого-геохимического состояния населенных пунктов.

При нарушении требования стадийности выполнения работ могут возникнуть существенные ошибки, исправление которых потребует значительных затрат.

4) Ограничение площадей участков, для которых необходимо выполнить эколого-геохимическую оценку состояния окружающей среды, должно проводиться с учетом особенностей природной миграции элементов, определяемых ландшафтно-геохимическими факторами. Отсутствие карт геохимических ландшафтов соответствующего масштаба вызывает необходимость повышенного внимания к особенностям воздушной миграции и местного рельефа, определяющего основную часть поверхностного и подземного стоков. В таких случаях наиболее приемлемыми следует считать водоразделы и области накопления осадков, что позволит избежать «разрезания» аномалий, связанных с единым природным потоком мигрирующих элементов. Также желательно, чтобы границы районов работ не пересекали области отложения крупных масс эолового материала или интенсивного выветривания почв.

В регионах с высокой техногенной нагрузкой границы района работ допустимо проложить по административным границам, так как в таких регионах антропогенное поступление химических элементов и соединений в ландшафты и их миграция доминируют над аналогичными природными процессами.

5) Основные принципы методики выполнения эколого-геохимической оценки не должны зависеть от масштаба исследований, природных условий и интенсивности антропогенной деятельности. Выполнение данного требования позволит наиболее полно использовать материалы предыдущих исследований при оценке состояния окружающей среды. Для одной и той же территории результаты работ, выполненных в более крупном масштабе, должны «органически вкладываться в более мелкий масштаб». При этом без привлечения дополнительных, часто весьма существенных, затрат можно сопоставлять результаты оценки эколого-геохимического состояния различных территорий.

6) Картографические материалы являются наглядной и удобной формой представления анализа результатов оценки состояния окружающей среды. Вместе с тем специальные сведения, позволяющие делать выводы о распространении загрязнителей, сохранности конкретных видов организмов, общей экологической ситуации и других показателях, должна выноситься на единую, общую для всех эколого-геохимических исследований основу. В качестве такой основы в настоящее время могут успешно служить карты геохимических ландшафтов, которые на момент их составления уже сами по себе качественно отражают эколого-геохимические условия исследуемых регионов.

^

2.2.3. Последовательность выполнения качественной оценки состояния окружающей среды



Карты геохимических ландшафтов на период их составления объективно и комплексно отражают состояние окружающей среды. Качественная оценка состояния окружающей среды проводится на основе ландшафтно-геохимического картирования и выполняется поэтапно, в определенной последовательности.

1. На первом этапе составляется карта геохимических ландшафтов, после чего по результатам протекания какого-либо конкретного процесса определяются тенденции развития определенных качественных изменений в изучаемом регионе. Установление тенденции развития конкретных качественных изменений позволяет целенаправленно планировать проведение последующих эколого-геохимических исследований.

2. Второй этап посвящается выявлению на картах аномальных геохимических ландшафтов и аномальных зон (пространственно или генетически связанных между собой аномальных ландшафтов). Задача выделения аномальных ландшафтов и зон является важнейшей при проведении качественной оценки эколого-геохимического состояния изучаемой территории по результатам первых исследований.

По результатам качественной оценки на основе карты геохимических ландшафтов можно предварительно оценить экономическую целесообразность планируемой деятельности, например, вырубку лесов, освоение новых территорий и др.

3. Полученные при повторной качественной оценке эколого-геохимического состояния окружающей среды результаты следует сравнить с результатами первых исследований, что позволит перейти к качественной оценке антропогенных и природных процессов и их последствий, имевших место на протяжении времени между двумя выполненными исследованиями, отследить возникновение новых явлений, установить причинно-следственные связи.

^

2.2.4. Количественная оценка состояния окружающей среды



Во многих случаях качественная оценка состояния окружающей среды и происшедших в ней изменений оказывается недостаточной и необходимо проведение количественной оценки. Существенным условием последней является необходимость учета перемещения элементов во всех формах их нахождения и сложных взаимоотношений элементов в различных участках биосферы. Количественная оценка так же, как и качественная, выполняется на ландшафтно-геохимической основе, по единой методике и в определенной последовательности.

При проведении количественной оценки в полевой период ландшафтно-геохимического картографирования из различных частей ландшафтов по определенной сетке отбираются пробы. Проводится обязательный анализ на комплекс элементов, образующих ассоциации в крупных техногенных геохимических аномалиях, формирующихся в настоящее время. Если на изучаемой территории прогнозируется появление новых приоритетных поллютантов, то их содержание также анализируется.

На первом этапе впервые проводимой эколого-геохимической оценки состояния конкретной территории необходимо сравнить местные фоновые содержания с региональными фоновыми концентрациями (местными ПДК) или кларками, что позволит в случае существенных отличий решить вопрос о выделении геохимических провинций. Если же местные фоновые содержания повышены или понижены незначительно, то можно говорить о количественном установлении тенденции эколого-геохимических изменений на данном участке под влиянием различных действующих факторов.

На следующем этапе следует дать оценку выявленных геохимических аномалий. Для первичной оценки этих аномалий В.А. Алексеенко предложен (1994, 1998) показатель абсолютного накопления (ПАН) химических элементов, показывающий, какая масса того или иного химического элемента (его соединений) накопилась в результате определенных процессов (как природных, так и техногенных) на единице площади в концентрациях, превышающих реальное фоновое содержание. При отсутствии данных о фоновом содержании можно использовать кларковое содержание или величину ПДК. Показатель абсолютного накопления может быть рассчитан (т/м2) для почв, вод, атмосферного воздуха, растений.

Для принятия мер быстрого реагирования и предварительной оценки медико-экологического влияния загрязнения каждым из поллютантов следует определить значение показателя относительного накопления (ПОН), представляющего собой отношение показателя абсолютного накопления к фоновому (кларковому) содержанию Сф в почвах:
^ ПОН = ПАН/Сф.
Элементы с высокими значениями ПОН могут существенно ухудшать медико-экологическую обстановку на изучаемой территории, что необходимо учитывать при анализе выявленных заболеваний и планировании профилактических мероприятий.

^

3. СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ



1) Для определения масс химических элементов, которые содержатся в главных составных частях биосферы и могут рассматриваться в качестве резервуаров, можно использовать следующие данные (по В.В. Добровольскому, 1998):
Атмосфера, масса, т ........................…....................……..................… 5,21015
Мировая суша, км2:

общая площадь ..........................................................................….. 150106

площадь, за исключением территории, занятой ледниками …. 135106

площадь, за исключением территории, занятой ледниками и

бесплодными пустынями ................................................................ 120106

растительность суши (до нарушения человеком), т:

живая масса .................................................................................… 6,251012

сухая масса ..................................................................................... 2,51012

Примечание: биомасса природной растительности к настоящему времени уменьшилась на 20 – 25 %.
Органическое вещество педосферы, т:

лесные подстилки, сухая масса ................................................... 0,21012

аккумуляция торфа, сухая масса .................................................. 0,51012

почвенный гумус, сухая масса .....................................................…2,41012

сумма .....................................................................................….…. 3,11012

Земная кора, т:

гранитный слой континентального блока ..........................…. 82001015

осадочная оболочка (за исключением эффузивов) .................... 24001015

в том числе, %:

глины и глинистые сланцы ................................................................... 50

пески и песчаники .................................................................…............... 21

карбонатные породы ............................................................................. 29

Мировой океан:

площадь, км2 .................................................................................... 360106

объем, км3 ..................................................................................... 1370106

фотосинтезирующие организмы, сухая масса, т .................... 3,4109

растворенное и высокодисперсное органическое вещество,

сухая масса, т ................................................................................ 4110109

растворенные соли (средняя соленость

океанической воды 35 о/оо), т ………………………………….…… 479501012
2) Для ориентировочного определения масс элементов, мигрирующих на протяжении года из одного резервуара в другой, можно использовать приведенные ниже данные (по В.В. Добровольскому, 1998):
Мировая суша:

биологический круговорот (продукция фотосинтеза –

деструкция отмершего органического вещества) –

продукция растительности до ее нарушения человеком,

сухая масса (средняя концентрация Сорг в сухой биомассе 46 %),

т/год ...……............…............................………………………………. 172109

с учетом антропогенного сокращения на 25 %, т/год ...........…. 129109

Круговорот воды, л/год:

испарение с поверхности суши:

с дренируемой части суши .......................................................…... 621015

с бессточной части суши ........................................................…... 7,51015

сумма ...……................................................................................…... 691015

Атмосферные осадки, л/год:

на дренируемой части суши, включая 441015 л/год осадков

океанического происхождения (средняя минерализация

атмосферных осадков над дренируемой частью

суши 25 мг/л) ………………………………..………………………….1061015

на бессточной часть суши ............................................................. 7,51015

сумма ............................................................................................… 1141015

Сток воды с суши в океан, включая 31015 л/год

сток с ледников, л/год: ..........................................................………........... 441015

вынос растворимых солей с речным стоком

(средняя минерализация воды рек 120 мг/л;

средняя концентрация Сорг растворимого 6,9 мг/л), т/год .……. 4,9109

вынос взвесей с речным стоком (средняя мутность воды рек

500 мг/л; средняя концентрация Сорг взвешенного 5 мг/л), т/год .. 20,5109

Круговорот пыли:

поступление пылевых частиц с суши в тропосферу, т/год .....….. 5,8109

осаждение пылевых частиц на поверхность суши (средний

модуль осаждения пыли на Мировой суше – 6 г/м2 в год), т/год …. 4,0109

вынос пылевых частиц в океан и область ледников, т/год ............1,8109

Мировой океан:

биологический круговорот фотосинтезирующих

организмов, сухая масса, т/год ..…...........................................….... 110109

Испарение с поверхности океана, л/год .….............................….... 4561015

атмосферные осадки на поверхности океана (средняя

минерализация атмосферных осадков над океаном 10 мг/л),

л/год .………………………………………………………………………. 4111015

перенос атмосферных осадков с океана

через тропосферу на сушу, л/год ...................................................... 441015
По реакции фотосинтеза связывание 1 г углерода углекислого газа сопровождается выделением 2,7 г кислорода.

4. ТАБЛИЦЫ



Таблица 4.1

^

Кларки химических элементов гранитного слоя коры континентов


(в порядке убывания значений) (по А.А. Беусу, 1976)


Элемент

Атомный

номер

Среднее

содержание,

110–4 %

Элемент

Атомный

номер

Среднее содержание,

110–4 %

Элемент

Атомный

номер

Среднее содержание,

110–4 %

O

8

481000

Y

39

38

Be

4

2,5

Si

14

299000

Cr

24

34

Br

35

2,2

Al

13

80000

Nd

60

33

Ta

73

2,1

Fe

26

36000

Li

3

30

As

33

1,9

K

19

27000

N

7

26

W

74

1,9

Ca

20

25000

Ni

28

26

Ho

67

1,8

Na

11

22000

Cu

29

22

Tl

81

1,8

Mg

12

12000

Nb

41

20

Eu

63

1,4

Ti

22

3300

Ga

31

18

Tb

65

1,4

H

1

1000

Pb

82

16

Ge

32

1,3

P

15

800

Th

90

16

Mo

42

1,3

F

9

700

Sc

21

11

Lu

71

1,1

Mn

25

700

B

5

10

I

53

0,5

Ba

56

680

Sm

62

9

Tu

69

0,3

S

16

400

Gd

64

9

In

49

0,25

C

6

300

Pr

59

7,9

Sb

51

0,20

Sr

38

230

Co

27

7,3

Cd

48

0,16

Rb

37

180

Dy

66

6,5

Se

34

0,14

Cl

17

170

Cs

55

3,8

Ag

47

0,088

Zr

40

170

Er

68

3,6

Hg

80

0,033

Ce

58

83

Yb

70

3,6

Bi

83

0,010

V

23

76

Hf

72

3,5

Au

79

0,0012

Zn

30

51

Sn

50

2,7

Te

52

0,0010

La

57

46

U

92

2,6

Re

75

0,0007


Таблица 4.2
^ Средний состав органического вещества растительности суши после

исключения зольных элементов, % (по В.В. Добровольскому, 1998)


Биомасса и ее главные компоненты

Химические элементы

C

H

O

N

Растения суши (А.П. Виноградов, 1967)

54

6

37

2,8

Биомасса суши (Е.А. Романкевич, 1988)

48

7

41

2,0

Углеводы

40

7

50

1,5

Лигнин

62

6

30

1,0

Липиды

70

10

18

0,5

Белки

50

7

23

16,0



Таблица 4.3
^ Относительное содержание химических элементов

в живом веществе Мировой суши, % (по В.В. Добровольскому, 1998)


Растения

Животные

Химические

элементы

Сырая масса (А.П. Виноградов, 1954)

Пересчет на сухое веще-ство

Сухое вещество

(Х. Боуэн, 1966)

Пересчет на

золу

Сухое вещество (Е.А.Ро-манкевич, 1988)

Пересчет

на

золу

Сухое

вещество

(Х. Боуэн, 1966)

Сухое вещество

(Е.А. Романкевич, 1988)

C

18,0

45,0

45,4



46,3



46,5

51,0

O

70,0

45,4

41,0



39,6



18,6

26,8

H

10,5

5,75

5,5



6,7



7,0

7,4

N

0,3

0,75

0,3



1,9



10,0

9,8

S

0,05

0,13

0,34

6,8

0,48

11,2

0,5

0,5

P

0,06

0,175

0,23

4,6

0,20

4,7

1,70 – 4,40



Ca

0,50

1,25

1,80

36,0

1,50

35,1

0,02 – 8,5



K

0,30

0,75

1,40

28,0

1,10

25,7

0,74



Mg

0,04

0,10

0,32

6,4

0,32

7,5

0,10



Na

0,02

0,05

0,12

2,4

0,12

2,8

0,40



Cl

0,02

0,05

0,20

4,0

0,20

4,7

0,28



Si

0,20

0,50

0,50

10,0

0,30

7,0

0,012 – 0,6



Al

0,005

0,013

0,05

1,0

0,03

0,7

0,004–0,01



Fe

0,1

0,025

0,014

0,4

0,02

0,5

0,016



Сумма

99,70

99,84

99,87

99,5

98,77

99,9






Таблица 4.4
^ Сравнительная распространенность атомов главных химических

элементов живого вещества (по В.В. Добровольскому, 1998)


Элемент

Распространенность, атомные %

в космосе в целом

(А. Камерон, 1973)

в летучей фракции комет (А. Дельсемм,1981)

в живом

веществе Земли

H

76,5

56

63,3

O

0,82

31

26,6

C

0,34

10

8,9

N

0,12

2,7

1,2

S

0,0015

0,3

0,001


Таблица 4.5
^ Захват и интенсивность биологического поглощения

главных химических элементов растительностью Мировой суши

(по В.В. Добровольскому, 1998)


Элемент

Концентрация в сухой фито-массе, % (Х. Боуэн, 1966)

Захват приростом растительности

Коэффициент биологического поглощения

на всей площади суши, 1108 т/год

на 1 км2/(тгод)

N

2,00

3450 (2587)

28,78 (21,5)



Ca

1,80

3105 (2329)

25,9 (19,4)

14,4

K

1,40

2415 (1801)

20,1 (15,0)

10,4

Si

0,50

862 (840)

7,2 (7,0)

0,3

S

0,34

586 (440)

4,9 (3,6)

170,0

Mg

0,32

552 (414)

4,6 (3,5)

5,3

P

0,23

397 (297)

3,3 (2,5)

57,5

Cl

0,20

345 (259)

2,9 (2,1)

235,3

Na

0,12

207 (145)

1,7 (1,2)

1,0

Al

0,05

86 (65)

0,7 (0,5)

0,1

Fe

0,02

34 (26)

0,3 (0,2)

0,1


Примечание: в скобках указана масса элементов, захватываемых природной растительностью, уменьшенной на 25 % под воздействием хозяйственной деятельности людей.
Таблица 4.6
^ Концентрация рассеянных элементов в ежегодном приросте

растительности суши (по В.В. Добровольскому, 1998)


Элемент

Средняя концентрация, мкг/г

Элемент

Средняя концентрация, мкг/г

в золе

в сухой

фитомассе

в живой

фитомассе

в золе

в сухой

фитомассе

в живой

фитомассе

Mn

4100

205,0

82,0

Co

10

0,5

0,2

Zn

600

30,0

12,0

La

15

0,8

0,3

Sr

700

35,0

14,0

Y

15

0,8

0,3

Ti

650

32,5

13,0

Mo

10

0,5

0,2

B

500

25,0

10,0

I

6

0,3

0,12

Ba

450

22,5

9,0

Sn

5

0,25

0,10

Cu

160

8,0

3,2

As

3

0,12

0,06

Zr

150

7,5

3,0

Cs

3

0,12

0,06

Rb

100

5,0

2,0

Be

2

0,10

0,04

Br

80

4,0

1,6

Se

1

0,05

0,02

F

70

3,5

1,4

Ga

1

0,05

0,02

Ni

40

2,0

0,8

Cd

0,7

0,035

0,014

Cr

35

1,8

0,7

Ag

0,6

0,03

0,012

V

30

1,5

0,6

U

0,4

0,02

0,008

Li

30

1,5

0,6

Hg

0,25

0,012

0,005

Pb

25

1,25

0,5




Таблица 4.7
^ Интенсивность биологического поглощения и ежегодный захват

рассеянных элементов растительностью суши (по В.В. Добровольскому)


Элемент

Коэффициент биологического

поглощения

Захват годовым

приростом фитомассы

Элемент

Коэффициент биоло-гичес-кого

поглощения

Захват годовым

приростом фитомассы

на всей площади суши, тыс. т

на 1 км2, кг

на всей площади суши, тыс. т

на 1 км2, кг

Mn

6,86

41400

345

La

0,33

137,6

1,15

Zn

11,76

5160

43,0

Y

0,42

137,6

1,15

Sr

3,04

6020

50,1

Co

1,37

86

0,72

Ti

0,20

5590

46,6

Mo

9,69

86

0,72

B

50,00

4300

35,8

I

12,0

51,6

0,43

Ba

0,66

3870

32,3

Sn

1,85

43,0

0,36

Cu

2,27

1376

11,5

As

1,58

20,6

0,17

Zr

0,88

1290

10,8

Cs

0,79

20,6

0,17

Rb

0,56

860

7,20

Be

0,80

17,25

0,14

Br

36,36

688

5,70

Se

7,14

8,60

0,072

F

0,10

602

5,00

Ga

0,05

8,60

0,072

Ni

1,54

344

2,87

Cd

0,44

8,60

0,072

Cr

1,03

309

2,58

Ag

12,50

5,16

0,043

V

0,39

258

2,15

U

0,15

3,44

0,029

Li

1,00

258

2,15

Hg

7,58

2,06

0,017

Pb

1,5

215

1,79

Sb

0,50

0,86

0,007



Таблица 4.8
^ Химический состав атмосферы (по Г.В. Войткевичу, 1986)


Компоненты

Содержание,

% объема

Масса,

109 т

Компоненты

Содержание,

% объема

Масса,

109 т

Сухой воздух

100

5,12106

Xe

8,710–6

2,02

N2

78,08

3,87106

CH4

1,510–4

4,3

O2

20,95

1,18106

H2

510–5

0,18

Ar

0,93

6,59104

N2O

310–5

2,3

CO2

0,032

2,45103

CO

1,210–5

0,59

Ne

1,8210–3

6,4810

NH3

110–6

0,03

He

5,2410–4

3,71

NO2

110–7

0,0081

Kr

1,1410–4

1,6910

H2S

210–8

0,0012


Таблица 4.9

Коэффициент концентрации некоторых рассеянных элементов

в континентальных аэрозолях (по В.В. Добровольскому, 1980)


Металлы

Значение Ка

Интенсивность обогащения
Кадмий

 100
очень сильная

Свинец, олово

50 – 100

сильная

Цинк, медь, никель, хром

10 – 50

средняя

Ванадий

1 – 10

умеренная

Титан

 1

отрицательная


Таблица 4.10
^ Атмосферный перенос на сушу масс главных ионов,

растворенных в воде Мирового океана (по В.В. Добровольскому, 1998)


Ионы

Поступление ионов на сушу,

млн. т/год

Доля ионов океанического происхождения от массы континентального стока, %

с океаническими атмосферными осадками

вместе с 20 % «сухого осаждения»

без учета

20 %

с учетом

20 %

Na+

107,0

128,1

54,0

64,7

K+

7,1

8,6

10,8

13,0

Mg2+

20,9

25,0

14,4

17,2

Ca2+

22,0

26,4

3,6

4,3

Cl

200,0

240,3

70,9

85,2

SO42–

74,2

82,1

14,1

16,9

HCO3

8,8

10,5

0,3

0,4


Таблица 4.11
^ Диапазоны измеренных концентраций рассеянных металлов в дождевых

осадках над континентами (по А.Х. Остромогильскому и др., 1981)

Элемент


Диапазон концентраций, мкг/л

Элемент


Диапазон концентраций, мкг/л

Fe

16 – 4020

Cd

0,05 – 17,7

Ti

3 – 220

V

3,7 – 9,0

Zn

10 – 260

Mn

1,7 – 7,7

Br

0,8 – 460

Ni

1,0 – 7,2

Cu

0,5 – 82

Co

0,04 – 7,2

Pb

0,3 – 53

Hg

0,01 – 1,3

As

0,2 – 31

Se

0,2 – 0,91

Sb

0,3 – 4,6


Таблица 4.12
^ Содержание растворимых форм химических элементов

в Мировом океане (по В.В. Добровольскому, 1998)


Элементы и ионы

Средняя концентрация

Отношение концентрации в сумме солей к кларку гранитного слоя

в воде, мкг/л

в сумме солей,

110–4 %

Cl

19353000,0

55,29 104

3252,0

SO42–

2701000,0

7,71 104



S

890000,0

2,54 104

63,0

HCO3

143000,0

0,41 104



Na

10764000,0

30,75 104

14,0

Mg

1297000,0

3,71 104

3,1

Ca

408000,0

1,16 104

0,5

K

387000,0

1,11 104

0,4

Br

63700,0

1922,9

874,0

Sr

8100,0

231,4

1,0

B

4450,0

127,1

13,0

SiO2

6200,0

176,0



Si

3000,0

85,0

0,00028

F

1300,0

37,1

0,05

N

500,0

14,0

0,54

P

88,0

2,5

0,0031

I

64,0

1,8

3,6

Ba

21,0

0,57

0,00084

Mo

10,0

0,29

0,22

Zn

5,0

0,14

0,0027

Fe

3,4

0,097

0,0000027

U

3,3

0,94

0,036

As

2,6

0,074

0,039

Al

1,0

0,029

0,00000036

Ti

1,0

0,029

0,0000088

Cu

0,90

0,025

0,0011

Ni

0,50

0,014

0,00054

Mn

0,40

0,011

0,000016

Cr

0,20

0,0057

0,00017

Hg

0,15

0,0043

0,130

Cd

0,11

0,0031

0,019

Ag

0,10

0,0029

0,065

Se

0,09

0,0026

0,019

Co

0,03

0,00086

0,0012

Ga

0,03

0,00086

0,0012

Pb

0,03

0,00086

0,0012

Zr

0,026

0,00070

0,0000041

Sn

0,020

0,00057

0,00021

Au

0,011

0,00031

0,26


Таблица 4.13
^ Коэффициент талассофильности химических элементов,

аккумулирующихся в солевой части океанической воды

(по В.В. Добровольскому, 1998)


Элемент

Значения Кт

по отношению к глинистым илам

по отношению к известковым илам

I

180,0

36,0

Br

27,5

27,5

Cr

27,0

27,0

S

19,5

19,5

Na

7,7

15,4

Mg

1,8

0,9

Sr

1,3

0,1

B

0,6

2,3

K

0,4

3,8

Li

0,09

1,0

Mo

0,01

10,0


Таблица 4.14

^

Средняя концентрация рассеянных металлов

в каменном угле и нефти, 110–4 %





Элементы

В сухом веществе каменных углей (В.Р. Клер, 1979)

В золе каменных углей

(Ф.Я. Сапрыкин, 1975)

В золе нефтей (К. Краускопф, 1958)

Ti

1600

9200



Mn

155





Zr

70

480

50 – 500

Zn

50

319

100 – 2500

Cr

18



200 – 3000

V

17 (10 – 200)



500 – 25000

Cu

11



200 – 8000

Pb

10

93

50 – 2000

Ni

5

214

1000 – 45000

Ga

4,5 (0,6 – 18)

64

3 – 30

Co

2

63

100 – 500

Mo

2

21

50 – 1500

Ag

1,5



5

Sn

1,2

15

20 – 500

Hg

0,2





As





1500

Ba





500 – 1000

Sr





500 – 1000
  1   2   3   4   5   6   7   8   9



Скачать файл (164.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации