химический состав атмосферных осадков и содержание в них

МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н. П. ОГАРЕВА*
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЦЕНТР АГРОХИМИЧЕСКОЙ СЛУЖБЫ
«МОРДОВСКИЙ»**
УДК 551.5:546.3
ББК 20.1
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ
И СОДЕРЖАНИЕ В НИХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Доктор сельскохозяйственных наук
И. Ф. Каргин *
Руководитель центра
И. И. Игонов **
Исследования химического состава атмосферных осадков в течение
многих лет показали, что они не представляют особой опасности с точки
зрения загрязнения почв, но могут оказывать серьезное негативное влияние на качество воды природных водоемов. Причем степень негативного
воздействия во многом определяется долей участия поверхностных вод в
режиме питания водного объекта.
Ключевые слова: дождевая вода, снеговая вода, черноземы, серые лесные и аллювиальные почвы, химический состав, тяжелые металлы.
П
ричиной изменения химического состава почв и содержания
в них тяжелых металлов (ТМ)
могут быть выбросы электростанций,
сжигающих органическое топливо, автотранспорт, минеральные и органические удобрения [1 – 4], сточные воды и
отходы животноводческих комплексов
и т.д. Поступление химических веществ
и ТМ в почву от техногенных источников осуществляется посредством их рассеивания в компонентах экосистем – в
почве, воздухе, воде, растениях, живых
организмах. Пути загрязнения многообразны, но важнейший из них – рассеивание аэротехногенных выбросов через
атмосферу.
Цель данного исследования – оценка химического состава атмосферных
осадков в процессе длительного использования сельскохозяйственных угодий.
Объектом исследования были ре-
перные участки, расположенные на черноземах, серых лесных и аллювиальных
почвах Республики Мордовия, где систематические наблюдения за химическим
составом атмосферных осадков проводились с 1994 г. по настоящее время. Полевые участки имели ровный рельеф, были
однородны в отношении почвенного покрова и условий увлажнения.
Одной из важнейших глобальных
проблем современности является проблема кислотных осадков. Попадая в
экосистемы, они существенно изменяют
режимы функционирования природных
компонентов, в ряде случаев приводя к
их деградации и полной гибели. Изменения в свойствах почв, возникающие под
влиянием кислых атмосферных осадков,
носят комплексный характер: происходит повышение степени кислотности,
снижение запасов элементов питания,
изменение микробного комплекса, моби-
– 49 –
№ 1 (1) ′ 2013
RUSSIAN SCIENTIFIC WORLD
Таблица 1. Химический анализ проб дождевой воды
на реперных участках (2007-2010 гг.).
Примечание: в числителе - интервал колебаний; в знаменателе - среднее арифметическое
± ошибка среднего.
лизация тяжелых металлов и алюминия,
а также другие негативные процессы.
Химический анализ проб дождевой
воды представлен в таблице 1. В соответствие с равновесием, устанавливающимся между дистиллированной водой и
растворенной в ней двуокисью углерода,
принято считать, что рН незагрязненных
атмосферных осадков составляет около
5,6 единиц.
Среднее значение показателя в исследуемых дождевых водах во всех случаях несколько сдвинуто по сравнению
с нормой в щелочную сторону. Так, в
Октябрьском районе рН дождевой воды
составила 7,0–7,7, а коэффициенте ва-
риации 3,9 %. Наименьшее значение отмечено на аллювиальных почвах, где рН
составил в среднем 6,6 с вариацией по
годам от 5,6 до 7,5.
Реакция снеговой воды (табл. 2)
несколько отличалась по рассматриваемому показателю. В частности, по Октябрьскому району (реперный участок 8)
кислотность была несколько выше, чем в
дождевых водах и составила 4,8–6,9 при
коэффициенте вариации 8,6 %.
Так, например, минимальные значения показателя рН в снеговой воде варьировались от 4,4 до 8,0, в то время как
в дождевой воде занимали диапазон в области 5,6 - 8,7 единиц.
– 50 –
РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ МИР
№ 1 (1) ′ 2013
Таблица 2. Химический анализ проб снеговой воды
на реперном участке.
NO3 ,
Реперный Хлориды
рН
мг/л
мг/л
участок
Чернозем выщелоченный и оподзоленный
Октябрьский, б. совхоз
4,8-7,4
0,4-5,2
2,8-3,5
5
3,4± 0,14
6,0± 0,17
2,1± 0,3
«Свердловский»
Октябрьский,
4,3-5,3
4,8-6,9
0,4-4,4
8
5,0± 0,33
6,2± 0,13
2,1± 0,3
ГУП РМ «Тепличное»
Лямбирский,
3,5-4,3
4,7-7,4
0,35-5,1
12
3,77± 0,27 6,1± 0,19 2,19± 0,34
ООО «Черемишевское»
Чамзинский,
4,5-8,2
0,45-6,5
3,5-24,8
21
9,27± 5,19 6,73± 0,25 2,47± 0,48
ООО «Сабурмачкасское»
Ромодановский,
2,8-5,3
5,1-6,7
0,4-4,4
22
3,77± 0,53 6,1± 0,14 2,46± 0,36
ТНВ «КЗС и К»
Рузаевский,
5,1-7,4
0,44-9,7
1,8-10,6
13
6,65±
1,96
6,13±
0,16
2,89±
0,6
КФХ «Демкин»
Темно-серая лесная
Зубово-Полянский,
7,0-7,1
5,1-7,4
1,1-5,3
17
7,0± 0,03
6,4± 0,21 2,65± 0,46
ТНВ ООО «Вектор и К»
Ковылкинский,
4,9-7,5
1,5-3,8
2,8-17,6
27
8,57± 4,57 6,16± 0,37 2,51± 0,32
ООО «Самаевское»
Аллювиальная
Б.Березниковский,
3,5-7,1
4,9-6,9
0,91-13,4
3
5,27± 1,0
5,9± 0,17 3,07± 0,84
ООО «Кировское»
Октябрьский,
4,4-7,5
0,5-5,1
2,8-5,3
6
3,77± 0,53 6,18± 0,19 2,24± 0,31
с-з «Свердловский»
Ичалковский,
2,8-3,5
4,8-8,0
0,31-8,2
10
3,32± 0,17
6,3 ±0,2
2,28± 0,49
ЗАО «Культура»
Район
Сульфаты
мг/л
0,8-13,0
4,66± 0,79
1,20-11,30
4,5± 1,0
0,3-10,2
2,84± 0,74
0,9-19,1
4,52± 1,37
0-12,4
3,76± 0,93
0,8-6,2
3,17± 0,45
1,3-8,4
4,07± 0,83
0,8-18,0
5,7± 2,25
1,10-11,4
4,54± 0,82
0,4-14,5
3,59± 1,06
0,5-10,3
3,96 ±0,86
Примечание: в числителе - интервал колебаний; в знаменателе - среднее арифметическое
± ошибка среднего.
Следует отметить, что осадки со
значением рН 4,8 считаются кислыми.
Попадая в агроэкосистемы, они могут повреждать фитоценоз и вызывать подкисление почвы. Однако первое возможно
только при непосредственном контакте
осадков с вегетирующими растениями,
чего в зимних условиях не происходит.
Степень же подкисления почвы будет во
многом зависеть от ее буферности. Физико-химические свойства рассматриваемых почв обуславливают их высокую
устойчивость к кислотным нагрузкам.
Кроме этого, подобная кислотность отмечена один раз за все годы проведения исследования, во всех прочих случаях зна-
чение показателя на уровне нормы или
слегка сдвинуто в щелочную сторону. В
связи с этим, несмотря на повышенную
кислотность атмосферных осадков в отдельные годы, значительного ухудшения
свойств почвы не происходит.
Таким образом, анализ атмосферных осадков показывает, что значение рН
отличается от естественного в некоторых
случаях в кислую, а в большинстве – в
щелочную сторону. Данный факт может
быть обусловлен следующим. В результате деятельности промышленных предприятий г. Саранска и области в атмосферу, в целом, поступает значительное
количество оксидов азота и серы. Эти
– 51 –
№ 1 (1) ′ 2013
RUSSIAN SCIENTIFIC WORLD
соединения, участвуя в жидкофазных
процессах с образованием азотной и серной кислот, являются основными кислотными компонентами осадков. Однако
фактически, как было отмечено выше, в
большинстве случаев кислотность дождя
и снега не превышает норму. Это, очевидно, связано со спецификой данных
соединений, для которых, в частности,
характерно большое время жизни в атмосфере. В связи с этим оксиды азота и
серы способны переноситься на большие
расстояния (сотни и тысячи километров)
и подкислять осадки далеко от источника
загрязнения, из которого они поступили
в окружающую среду. Подщелачивающие же агенты (частички золы, сажи и
др.), которые также в избытке содержатся в составе выбросов, функционирующих на данной территории предприятий,
напротив, как правило, выпадают с осадками на поверхность в относительной
близости от источника образования. В
результате фактически в большинстве
случаев наблюдается именно легкое подщелачивание осадков.
Другим важным показателем химического состава осадков служит содержание в них сульфатов и нитратов.
С одной стороны, сера и азот являются
важнейшими биогенными элементами, а
атмосферные осадки – источником восполнения их запасов в почве. Однако с
другой стороны, при поступлении высоких количеств сульфатов они могут
оставаться мобильными и, соединяясь
с катионами почвенно-поглощающего
комплекса, способствовать их выщелачиванию из почвы в процессе анионного
выноса. Поступление же больших количеств нитратов приведет к их активному
выносу в грунтовые воды и ухудшению
качества последних. Несмотря на то, что
кислотность атмосферных осадков невысока (как было установлено выше),
это не является прямым доказательством
очень низкого содержания в них оксидов
азота и серы. Данный факт лишь свиде-
тельствует о преобладании в атмосферных осадках щелочных компонентов над
кислотными.
Концентрация нитратного азота
в дождевой воде в исследуемых полях
варьирует от 1,10 до 38,4 мг/л. Этот показатель подвержен очень сильному изменению по годам. Коэффициент вариации достигал 152,3 %. В отдельные
годы сдержание азота превышает ПДК,
установленный для природных вод (9,0
мг/л). Например, в Октябрьском районе
(реперный участок 8) в дождевой воде
было зафиксировано в среднем за 8 лет
наблюдений 11,7 мг/л (с вариацией по годам от 1,7 до 38,4 мг/л), что превышает
предельно допустимую норму, а в ЗАО
«Культура» Ичалковского района содержание нитратов составило в среднем 9,2
(вариация по годам от 2,8 до 17,9 мг/л).
Сравнение значения показателя с
литературными данными показывает, что
осадки могут быть отнесены к загрязненным по данному критерию качества.
Так, например, согласно результатам исследований, проведенных в конце 90-х
годов прошлого века учеными факультета почвоведения Московского государственного университета им. Ломоносова
на территории Литовского национального парка, содержание азота нитратов
в осадках варьировало от 0,1 до 1,0 мг/л
[5]. При этом территориальная близость
Литвы к промышленно развитым странам Западной Европы характеризует
зону формирования осадков как сильно
загрязненную. Среднее же содержание
нитратного азота в осадках, выпадающих над территорией Республики Мордовия, как свидетельствуют полученные
данные, заметно выше.
Варьирование рассматриваемого
показателя по годам проведения исследований существенно больше, чем варьирование по реперным участкам (то
есть, в пространстве).
Содержание нитратного азота
в снеговой воде ниже, чем в дожде-
– 52 –
РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ МИР
вой. Оно менялось от 0,31 до 13,4 мг/л.
Максимальное значение нитратного
азота отмечено для ООО «Кировское»
Б-Березниковского района, где оно достигало 13,4 мг/л, что превышает норматив, установленный для природных вод.
Таким образом, содержание нитратов в
атмосферных осадках, выпадающих над
исследуемой территорией, в целом, является высоким.
Концентрация сульфат-ионов в
снеговой воде варьируется от полного отсутствия до 19,1 мг/л (Чамзинский
район), что значительно ниже общероссийского показателя. Так, согласно обобщению данных локального агроэкологического мониторинга [6], содержание
сульфатов в снеговой воде по субъектам
Российской Федерации варьирует от 0,74
до 84,9 мг/л. Очень высокое содержание
сульфат-ионов характерно также для
Ярославской области (64,8 мг/л). Во всех
остальных регионах значение показателя
на порядок или два ниже.
Важным показателем качества дождевой воды является содержание хлоридов. По отдельным участкам и годам
варьирование этого показателя составило от 1,8 до 117,9 мг/л. Наибольшее
содержание хлоридов отмечено в КФХ
«Демкин», где оно составило в среднем
за годы исследований 33, а в отдельные
годы доходило до 117,9 мг/л. Изменение
данного показателя по годам проведения
исследований существенно больше, чем
изменение по реперным участкам.
Обращает на себя внимание существенное преобладание сульфатов и хлоридов над нитратами в снеговой воде.
Таким образом, содержание нитратов в снеговой и дождевой воде, выпадающей над исследуемой территорией,
характеризует осадки как загрязненные
данными соединениями.
Кроме оксидов азота и серы атмосферные осадки могут содержать и другие
примеси, в частности, тяжелые металлы
(табл. 3). При оценке уровня загрязнения
№ 1 (1) ′ 2013
дождевой и снеговой воды данными токсикантами сравнивали их фактическое
содержание с фоновым и нормативным.
При этом в качестве фона использовали
данные по концентрации металлов в снеговой воде, усредненные по всей территории РФ [6].
В качестве нормы рассматривали
ПДК для водоемов рыбохозяйственного
назначения. Последнее обусловлено тем,
что нормативы собственно для воды атмосферных осадков не разработаны. При
этом часть осадков, особенно в период
снеготаяния, стекая по рельефу местности, поступает в природные водоемы,
влияя на их химический состав. В связи с
этим, на наш взгляд, использование ПДК
для водоемов рыбохозяйственного назначения применительно к дождевой и снеговой воде является более корректным,
чем других нормативов (например, для
питьевой воды).
При ПДК для свинца 0,006 содержание свинца по данным наблюдений
в снеговой воде во всех случаях выше
этого показателя. Максимальное содержание свинца наблюдалось в осадках,
выпавших в Октябрьском районе (реперный участок 8), где в среднем за годы
исследований содержание свинца составило 0,26 мг/л и колебалось по годам от
полного отсутствия до 3,5 мг/л. Здесь же
выявлено и наибольшее количество сульфатов, что свидетельствует об общем
источнике поступления загрязняющих
веществ. Практически всегда содержание свинца в дождевых и снеговых водах
существенно выше ПДК для воды водоемов рыбохозяйственного назначения.
Вариабельность этого показателя очень
высока.
Содержание меди и цинка в снеговой воде на большинстве участках выше
ПДК, но на некоторых участках ниже
фона по РФ. Вариабельность и этого показателя по годам очень высока.
Таким образом, исследования показали, что содержание тяжелых металлов
– 53 –
RUSSIAN SCIENTIFIC WORLD
№ 1 (1) ′ 2013
Таблица 3. Химический состав снеговой воды (мг/л), среднее за 1995-2010 гг.
Примечание: в числителе – интервал колебаний; в знаменателе – среднее арифметическое ± ошибка среднего.
– 54 –
РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ МИР
в дождевой и снеговой воде практически
во всех случаях превышают ПДК для водоемов рыбохозяйственного назначения.
Соответственно, попадая в природные
воды (путем выпадения непосредственно в водоем или за счет поверхностного
стока), они могут ухудшать их качество.
Причем степень негативного воздействия во многом будет определяться долей участия поверхностных вод в режиме питания водного объекта.
Кроме этого, осадки, содержащие
повышенные количества тяжелых металлов, могут являться источником загрязнения почв, но они не являются значимым источником поступления тяжелых
металлов, при имеющемся химическом
составе они служат источником восполнения микроэлементов – меди и цинка.
№ 1 (1) ′ 2013
Следовательно, химический состав
дождевой и снеговой воды (содержание
нитратов, сульфатов, тяжелых металлов)
свидетельствует, что осадки формируются над территорией, характеризующейся
высоким техногенным воздействием, и
могут быть классифицированы как загрязненные.
Реакция среды дождевой и снеговой воды в большинстве случаев, в
сравнении с незагрязненными осадками,
сдвинута в щелочную сторону.
По содержанию тяжелых металлов осадки не представляют опасности с
точки зрения загрязнения почв, но могут
оказывать негативное влияние на качество воды природных водоемов, характеризующихся большой долей поверхностного стока в режиме питания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каргин, В. И., Ерофеев А. А., Захаркина Р. А., Каргин Ю. И. Влияние средств
химизации на урожайность и качество зерна яровой пшеницы // Защита и карантин
растений. №10. 2009. – С. 29-32.
2. Каргин, В. И., Ерофеев А. А., Макаренкина А.Г., Латышова И.А., Перов Н.А.
Засоренность посевов озимой ржи и озимой пшеницы в зависимости от системы удобрения. // Достижения науки и техники АПК. 2012. № 2. – С. 27-29.
3. Игонов И. И., Каргин И. Ф. Динамика содержания тяжелых металлов в процессе
длительного использования пашни // Агрохимический вестник. 2012. № 4. С. 31–33.
4. Каргин И. Ф., Немцев С. Н., Каргин В. И., Перов Н. А. Боровой М. В.: науч. Ред.
И. Ф. Каргин. Засуха и борьба с ней: ретроспектива и современность. Саранск. 2011.
712 с.
5. Кислотные осадки и лесные почвы / под ред. В.Н. Никонорова и Г.Н. Копцик.
Апатиты, 1999. – 320 с.
6. Бюллетень Географической сети опытов с удобрениями. Выпуск 7. Влияние атмосферных осадков в виде снега на загрязнение сельскохозяйственных угодий (по
данным локального мониторинга). - М.: ВНИИА, 2009. - 28 с.
– 55 –