Введение
В связи с интенсивным развитием промышленности и транспортной системы в атмосферу, почву, водную среду и растительность поступает большое количество загрязняющих веществ. Это сопряжено с негативными экологическими последствиями для природной среды и здоровья населения. Загрязнение воздушного бассейна техногенными эмиссиями определяет необходимость мониторинга загрязнения. В северных регионах России удобным индикатором загрязнения приземных слоев атмосферы является снежный покров, который сохраняется в течение 6–8 месяцев. В отличие от дождевых осадков, снег аккумулирует загрязняющие вещества, поступающие с выбросами промышленных предприятий, в течение длительного периода времени. Проходя сквозь полог древостоя, частицы снега захватывают вещества, накопленные на поверхности хвои, побегов и стволов деревьев, тем самым изменяя свой состав. По данным А. А. Молчанова (1973), во всех лесных насаждениях, кроме темнохвойных, снега накапливается больше, чем в поле и на открытых пространствах, где за счет испарения и сдувания высота снежного покрова снижается.
В урбоэкосистемах наблюдаются наибольшие изменения в составе атмосферного воздуха. Ученых давно привлекла возможность использования снежного покрова как индикатора загрязняющей среды. В городах в зимний период и во время снеготаяния экологический мониторинг необходим для оценки состояния частей геосфер Земли. Именно снег служит надежным диагностическим показателем аккумуляции и распределения загрязняющих веществ (Демиденко, Турыгина, 2019).
Мониторинг загрязнения снежного покрова позволяет получить реальную суммарную величину выпадений загрязняющих веществ, отражающую уровень загрязнения приземных слоев атмосферы. Контроль загрязнения снежного покрова также имеет важное значение для понимания процессов загрязнения почв в результате атмосферного переноса (Игнатенко и др., 2012; Белозерцева и др., 2017). Данные о содержании веществ в снежном покрове являются единственными материалами для оценки регионального загрязнения атмосферы в зимний период на больших территориях и выявления ареала распространения загрязняющих веществ от промышленных центров.
Загрязнение техногенными выбросами – одна из характерных особенностей урбанизированной природной среды г. Красноярска и прилегающих к нему территорий (Красноярская лесостепь). Здесь на протяжении длительного времени функционируют крупные предприятия, относящиеся к машиностроительной, теплоэнергетической и металлургической отраслям промышленности. Однако в последние годы на предприятиях г. Красноярска, в первую очередь на металлургическом производстве и объектах теплоэнергетики, проводится ряд мероприятий по модернизации производства, ввод в эксплуатацию экологических ресурсосберегающих и природозащитных технологий, новых очистных сооружений (Государственный доклад…, 2023; РУСАЛ..., 2024). Это не могло не отразиться на экологической ситуации в целом. Исходя из этого изучение динамики аккумуляции техногенной пыли в снежном покрове необходимо для выявления изменений площади зон загрязнения на пригородной лесостепной территории с низким процентом лесистости в связи с применением новых экологических технологий. Мониторинг загрязнения снежного покрова на пригородной территории весьма актуален, т.к. количественные показатели загрязнения снежного покрова позволяют выявить техногенные нагрузки на пригородные леса при определении их современного экологического состояния в целях подбора и проведения в лесных экосистемах природоохранных мероприятий.
Цель работы – оценить уровень загрязнения снежного покрова в хвойных насаждениях, произрастающих в Красноярской лесостепи, в направлении основного переноса промышленных выбросов и в фоновых условиях. В связи с поставленной целью выполнялись следующие задачи:
- Мониторинг аккумуляции техногенной пыли в снежном покрове открытых пространств и под пологом сосновых насаждений.
- Создание схемы, отражающей интенсивность загрязнения пригородной территории г. Красноярска техногенной пылью, используя интерполяцию данных наших натурных исследований аккумуляции пыли снеговым покровом открытых пространств и под пологом лесных массивов.
- Определение рН талой снеговой воды и пространственно-временное распределение твердых фторидов в пылевом осадке снеговых вод.
Материалы
Исследования по аккумуляции техногенной пыли проводились на 6 мониторинговых пробных площадях (ПП) в сосняках разнотравной группы типов леса 5–6-го классов возраста, произрастающих в Красноярской лесостепи (рис. 1). Краткая характеристика ПП приведена в табл. 1. Проведенные нами ранее исследования (Skripal’shchikova et al., 2022) по оценке экологического состояния сосновых насаждений на мониторинговых пробных площадях позволили сделать вывод, что древостои сосны на ПП 1–3 характеризуются как нарушенные, на ПП 4–6 – как фоновые (условно чистые).
Таблица 1. Характеристика мониторинговых пробных площадей в сосновых насаждениях Красноярской лесостепи
| № ПП | Расположение пробной площади | Координаты ПП | Направление ПП от кластера промышленных объектов | Расстояние от кластера промышленных объектов, км | Тип леса |
| 1 | Сосняк СНТ «Строитель» | 93°11´ в. д. | Восточное | 9.5 | Разнотравно-осочково-зеленомошный |
| 56°06´с. ш. | |||||
| 2 | Березовский бор | 93°10´ в. д. | Юго-восточное | 10 | Осочково-разнотравный |
| 56°02´ с. ш. | |||||
| 3 | Есаульский бор | 93°15´ в. д. | Северо-восточное | 14.5 | Разнотравно-осочково-зеленомошный |
| 56°08´ с. ш. | |||||
| 4 | Сосновое насаждение в Академгородке | 92°44´ в. д. | Западное | 21 | Разнотравно-зеленомошный |
| 55°59´ с. ш. | |||||
| 5 | Погорельский бор | 92°57´в. д. | Северное | 30.5 | Разнотравно-осочковый |
| 56°22´ с. ш | |||||
| 6 | Сосняк д. Сухая | 92°27´ в. д. | Северо-западное | 39 | Осочково-разнотравный |
| 56°14´ с. ш. |
Методы
Экспериментальные исследования по определению аккумуляции пыли в снежном покрове проводились в 2016–2022 гг. Отбор образцов снега осуществлялся в период максимальных снегозапасов, в частности в конце февраля – начале марта по методике РД 52.04.186-89 «Руководство по контролю загрязнения атмосферы. Часть II. Региональное загрязнение атмосферы» (2024). В лабораторных условиях пробы растапливали при комнатной температуре, измеряли объем талой снеговой воды. Далее пробы фильтровались через бумажные фильтры (синяя лента), предварительно высушенные и взвешенные. По окончании фильтрования всего объема снеговой воды фильтры высушивались и взвешивались. Количество пыли на фильтре определялось по разнице между заполненным фильтром и сухим чистым. Определение рН талой воды проводили на рН-метре ОР-265/1.
Количественные показатели содержания валовой формы фтора в твердом осадке снеговой воды (в фильтрах) определяли спектрофотометрически при длине волны 540 нм с индикатором ксиленоловым оранжевым после сухого озоления пробы и дистилляции полученной золы с водяным паром в хлорной кислоте, используя сернокислое серебро для удаления сопутствующих примесей хлора (Киселева, 1966; Руководство…, 1979; Mikhailova, 2000).
Рис. 1. Карта-схема расположения пробных площадей в сосняках разнотравных Красноярской лесостепи
Fig. 1. Map-diagram of the location of sampling areas in the herb pine forests of the Krasnoyarsk forest-steppe
Для создания схемы, отражающей интенсивность загрязнения, использовалась интерполяция данных натурных исследований по аккумуляции пыли снеговым покровом на открытых пространствах и под пологом лесных массивов, полученных в зимние периоды 2016–2022 гг. Интерполяционная карта-схема построена с использованием метода Кригинга или регрессии на основе гауссовских процессов (Matheron, 1963; Resources for ArcMap..., 2024). Этот метод основан на статистических моделях, включающих анализ автокорреляции (статистических отношений между измеренными точками). Применяя метод Кригинга, мы имеем возможность не только создавать поверхность прогнозируемых значений, но и предоставлять некоторые измерения достоверности или точности прогнозируемых значений.
Результаты
Данные за зимние периоды шести лет наблюдений (2016–2022 гг.) по аккумуляции в снеговом покрове природной и техногенной пыли на открытых пространствах и под пологом хвойных насаждений приведены на рис. 2.
Рис. 2. Характер седиментации пыли в снеговом покрове Красноярской лесостепи на открытых пространствах (поле) (а) и под пологом (б)
Fig. 2. The nature of dust sedimentation in the snow cover of the Krasnoyarsk forest-steppe in open spaces (field) (a) and under the canopy (б)
Шестилетний период наблюдений как в контрольных насаждениях, так и в нарушенных сосновых массивах показал, что количественные характеристики аккумуляции пыли варьируют (см. рис. 2а, б). Наибольшее количество пыли аккумулируется в снеговом покрове на ПП 2, как на открытых участках, так и под пологом. Следует отметить, что в зимний период 2019 г. на открытой территории ПП 1 было выявлено максимальное количество пыли, превышающее данные 2017 г. в 2 раза. На ПП 1 высокое содержание пылевых частиц в снеге обусловлено влиянием ТЭЦ-3, т.е. высоким содержанием пылевой фракции в составе ее выбросов, а также влиянием строительной пыли, поступающей от ведущейся застройки данной территории. Несколько меньшее количество твердых частиц обнаружено в снежном покрове на ПП 3, расположенной в восточном направлении от города. Выявленный характер накопления пыли в этом лесном массиве может быть обусловлен плотной биофизической конструкцией сосняка и, следовательно, более высокой задерживающей способностью, а также переносом техногенной пыли в восточном направлении преобладающими ветрами. Минимальное количество природной пыли установлено в снежном покрове сосняка на ПП 6 вблизи д. Сухая. С зимы 2019/2020 г. отчетливо прослеживается тенденция уменьшения осевшего количества пыли в исследуемых сосняках как под пологом, так и на открытых пространствах, что обусловлено прежде всего меньшим поступлением пыли техногенного характера на исследуемые объекты с ветрами основного ЮЗ направления, а также варьированием количества техногенной пыли, выбрасываемой промышленными предприятиями города. Последнее обусловлено заменой фильтров на ТЭЦ города на более эффективные электрофильтры, а также реконструкцией ТЭЦ 1 (Попов, 2020; Государственный доклад…, 2022).
В 80-х гг. прошлого столетия исследуемые сосняки в зимний период подвергались более высоким пылевым нагрузкам, (Скрипальщикова и др., 2009). Результаты сравнения пылевых нагрузок в зимние периоды 2016–2022 гг. с ранее проведенными многолетними исследованиями показывают, что за этот зимний период нагрузки на сосняки снизились в среднем в 2 раза.
Использование метода Кригинга позволило выделить следующие зоны загрязнения пригородной территории за исследованные зимние периоды: высокого, среднего, слабого и условно чистую (рис. 3).
Рис. 3. Вариации форм зон техногенного пылевого загрязнения пригородной территории, выделенных по наземным исследованиям. Условные обозначения: 1 – территория г. Красноярска, 2 – водоемы и реки; зоны загрязнения: 3 – условно чистая (2), 4 – слабого (5–10 г/м2), 5 – среднего (10–25 г/м2), 6 – высокого загрязнения (>25 г/м2)
Fig. 3. Variations in the forms of man-made dust pollution zones in suburban areas identified by ground-based studies. Symbols: 1 – the territory of Krasnoyarsk, 2 – reservoirs and rivers; pollution zones: 3 – conditionally clean (2), 4 – weak pollution (5–10 g/m2), 5 – medium pollution (10–25 g/m2), 6 – high pollution (>25 g/m2)
На рис. 3 видно, что формы зон загрязнения снегового покрова варьируют в зависимости от количества ветров ЮЗ направлений, которые сносят промышленные выбросы г. Красноярска на исследуемые массивы. Установлено, что зона высокого загрязнения снегового покрова максимальна в зимний период 2017/18 г., что соответствует максимуму ветров ЮЗ направлений и 30 % количества штилей данного периода (на рисунке количество штилей представлено за период максимальных снегозапасов с октября по февраль). В зимние периоды 2020/21 и 2021/22 гг. по количественным характеристикам седиментируемой в снеговом покрове пыли выделяется только 3 зоны загрязнения: слабая, средняя и условно чистая; зона высокого загрязнения отсутствует.
Характер форм зон пылевого загрязнения пригородной территории объясняется рядом комплексно действующих факторов, влияющих на распространение промышленных эмиссий города. Прежде всего это условия рассеивания примесей в зимние месяцы, когда значительно возрастает повторяемость инверсионного распределения температуры, слабых ветров и туманов. Особенности рельефа города вызывают своеобразный характер загрязнения: селитебная часть города находится в долине реки, пригород имеет холмистый рельеф. Под влиянием неровностей местности изменяется турбулентный режим воздушных масс, что влечет за собой существенное изменение распределений концентраций при удалении от источника и седиментации их в низких участках рельефа. Поэтому максимальное загрязнение испытывает город.
В ходе работ по изучению кислотности (рН) талого снега на всех исследуемых ПП установлено, что этот показатель в разные годы варьирует незначительно, средние значения pH за шестилетний период исследований приведены в табл. 2. В нарушенных, загрязненных сосновых насаждениях рН как в поле, так и под пологом близок к нейтральной среде и колеблется от 7.04 до 7.21, на фоновых территориях показатель рН варьирует от 6.22 до 6.76, что характеризует талые снеговые воды как слабокислые. Полученные нами данные согласуются с результатами других исследователей. Например, по данным И. О. Гребенщиковой (2013), для г. Иркутска значения pH снеговой воды составляют от 6.2 до 7.2. Крупномасштабные наблюдения за химическим составом снега на территории России, проведенные в 2000–2013 гг. (Ветров и др., 2015), показали, что практически во всех регионах значения рН снега равны более 5.0. При этом отмечается, что в городах наблюдается подщелачивание, значения рН возрастают до 7.4 (Кобелев и др., 2019).
Таблица 2. Среднегодовые значения рН снеговой воды на открытых участках и под пологом насаждений на обследованных ПП в период 2016–2022 гг.
| № ПП | pH | |
| 1 | поле | 7.04 ± 0.03 |
| полог | 7.18 ± 0.05 | |
| 2 | поле | 7.21 ± 0.06 |
| полог | 7.36 ± 0.06 | |
| 3 | поле | 7.18 ± 0.03 |
| полог | 7.07 ± 0.04 | |
| 4 | поле | 6.76 ± 0.03 |
| полог | 6.72 ± 0.02 | |
| 5 | поле | 6.62 ± 0.09 |
| полог | 6.59 ± 0.04 | |
| 6 | поле | 6.59 ±0.05 |
| полог | 6.22 ± 0.04 | |
Определение в твердом осадке снеговых вод валового фтора как одного из наиболее фитотоксичного элемента, поступающего в составе выбросов алюминиевого производства и предприятий теплоэнергетического комплекса, работающих на бурых углях, показало, что его максимальные концентрации содержатся на ПП 1 в загрязненных насаждениях как на открытых участках, так и под пологом сосняков (СНТ, Березовский и Есаульский боры), произрастающих на расстоянии 9.5, 10 и 14.5 км от промышленного кластера. В фоновых объектах, произрастающих вне основного переноса промышленных выбросов (Погорельский бор, сосняки в Академгородке и д. Сухая), концентрации фтора в твердом осадке снеговых вод меньше почти в 2 раза (табл. 3). В сравнении с кларками этого элемента в земной коре и концентрацией в незагрязненных почвах в почву за зимний период со снеговыми водами поступают небольшие его концентрации.
Таблица 3. Содержание твердых фторидов в твердом осадке снегового покрова в поле и под пологом в сосновых насаждениях Красноярской лесостепи, мг/кг
| Усредненное значение содержания F в снеговом покрове за период с 2016 по 2022 г. | ||||||||||||
| № ПП | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| поле | полог | |||||||||||
| Содержание F в мг/кг | 2.47 ± 0.35 | 1.26 ± 0.24 | 1.83 ± 0.23 | 0.80 ± 0.08 | 0.97 ± 0.10 | 1.08 ± 0.12 | 1.79 ± 0.40 | 1.84 ± 0.53 | 1.33 ± 0.21 | 0.77 ± 0.14 | 0.85 ± 0.08 | 0.90 ± 0.16 |
| Кларки фтора в верхней части земной коры по литературным данным | ||||||||||||
| 660 мг/кг – А. П. Виноградов (1962) | ||||||||||||
| 720 мг/кг – А. А. Беус и др. (1976) | ||||||||||||
| 510 мг/кг – Н. А. Григорьев (2009) | ||||||||||||
| Для большинства природных («незагрязненных») почв содержания фтора колеблются в пределах 150–400 мг/кг (Виноградов, 1957). | ||||||||||||
Заключение
Шестилетние наблюдения за количественными характеристиками аккумуляции пыли антропогенного характера в пригородных сосновых насаждениях позволили выявить тенденцию уменьшения аккумулируемой пыли и твердых фторидов (валовая форма) в снеговом покрове пригородных сосняков. В настоящее время исследуемые сосновые насаждения произрастают в зоне среднего загрязнения. Их экологическое состояние характеризуется как стабильное (Skripal’shchikova et al., 2022). В целом по сравнению с прошлым столетием за зимний период техногенные нагрузки, а именно в пылевой составляющей, на сосновые экосистемы, произрастающие в радиусе 30 км от г. Красноярска, уменьшились почти в 2 раза. Последнему способствовало уменьшение промышленных объектов в г. Красноярске и переход ТЭЦ города на более мощное очистное оборудование (электрофильтры).
Кислотность талых снеговых вод на обследованной территории колеблется в пределах от 6.32 (слабокислые) до 7.36 (слабощелочные). Полученные данные согласуются с исследованиями кислотности снеговых вод в других регионах. Определенные значения pH для снега на пробных площадях находятся в тех же интервалах, что и для почвы. Таким образом, талые воды не оказывают влияние на смещение реакции почвенного раствора и дальнейшую мобилизацию токсичных соединений в почве.
Библиография
Белозерцева И. А., Воробьева И. Б., Власова Н. В., Янчук М. С., Лопатина Д. Н. Химический состав снега акватории озера Байкал и прилегающей территории // География и природные ресурсы. 2017. № 1. С. 90–99.
Беус А. А., Грабовская Л. И., Тихонова Н. В. Геохимия окружающей среды . М.: Недра, 1976. 248 с.
Ветров В. А., Кузовкин В. В., Манзон Д. А. Кислотность атмосферных осадков и атмосферные выпадения серы и азота в Арктической зоне Российской Федерации по данным мониторинга химического состава снежного покрова // Метеорология и гидрология. 2015. № 10. С. 44–53.
Виноградов А. П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах . М.: АН СССР, 1957. 238 с.
Виноградов А. П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных пород земной коры // Геохимия. 1962. № 7. С. 555–571.
Государственный доклад «О состоянии и охране окружающей среды в Красноярском крае в 2021 году» . Красноярск, 2022. 321 с.
Государственный доклад «О состоянии и охране окружающей среды в Красноярском крае в 2022 году» . Красноярск, 2023. 366 с.
Гребенщикова В. И. Геохимическая специфика состава снеговой воды некоторых городов Иркутской области // Вода: Химия и экология. 2013. № 2 (56). С. 19–25.
Григорьев Н. А. Распределение химических элементов в верхней части континентальной коры . Екатеринбург: УрО РАН, 2009. 382 с.
Демиденко Г. А., Турыгина О. В. Антропогенное загрязнение городской среды . Красноярск: Краснояр. гос. пед. универитет им. В. П. Астафьева, 2019. 170 с.
Игнатенко О. В., Сенченко М. В., Мещерова Н. А. Зонирование селитебной территории г. Братска по уровню загрязнения снежного покрова // Системы. Методы. Технологии. 2012. № 3 (15). C. 138–149.
Киселева Е. Н. Анализ фторсодержащих соединений . М.; Л.: Химия, 1966. 220 с.
Кобелев В. О., Поповичева О. Б., Шинкарук Е. В., Агбалян Е. В., Колесников Р. А., Новигатский А. Н. Кислотность атмосферных осадков зимнего периода на территории районов Ямало-Ненецкого автономного округа с различной антропогенной нагрузкой // Научный вестник Ямало-Ненецкого автономного округа. 2019. № 1 (102). С. 81–88. DOI: 10.26110/ARCTIC.2019.102.1.011
Молчанов А. А. Влияние леса на окружающую среду . М.: Наука, 1973. 360 с.
Попов А. Е. Как сделать теплоснабжение Красноярска более экологичным? Электроотопление, газификация или глубокая модернизация действующей угольной генерации – что выбрать горожанам? // Сетевое издание «Кислород.ЛАЙФ». 2020. URL: https://sibgenco.online/upload/iblock/67a/67a3cf47de35ee17f03ed69f01eec496.pdf (дата обращения: 20.03.2024).
РД 52.04.186-89. «Руководство по контролю загрязнения атмосферы. Часть II. Региональное загрязнение атмосферы». . URL: https://base.garant.ru/5370042/(дата обращения: 20.03.2024).
Руководство по контролю загрязнения атмосферы . Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 448 с.
РУСАЛ Красноярский алюминиевый завод ("РУСАЛ Красноярск", КрАЗ) . URL: https://заводы.рф/factory/rusal-krasnoyarsk-kraz (дата обращения: 20.03.2024).
Скрипальщикова Л. Н., Татаринцев А. И., Зубарева О. Н., Перевозникова В. Д., Стасова В. В., Грешилова Н. В. Экологическое состояние пригородных лесов Красноярска / Отв. ред. д-р биол. наук, проф. Л. И. Милютин. Новосибирск: Гео, 2009. 179 с.
Matheron G. Principles of geostatistics // Economic Geology. 1963. Vol. 58. P. 1246–1266.
Mikhailova T. A. The physiological condition of pine trees in the Prebaikalia (East Siberia) // Forest Pathol. 2000. Vol. 30. P. 345–359. DOI: 10.1046/j.1439-0329.2000.00221.x
Resources for ArcMap. URL: https://desktop.arcgis.com/ru/arcmap/latest/extensions/geostatistical-analyst/kriging-in-geostatistical-analyst.htm (дата обращения: 20.03.2024).
Skripal’shchikova L. N., Barchenkova A. P., Goncharova I. A., Ponomaryova T. V., Shushpanov A. S., Tatarintsev A. I. Contemporary Ecological State of Pine Biogeocenoses of the Krasnoyarsk Forest Steppe // Contemporary Problems of Ecology. 2022. Vol. 15, No. 7. P. 919–927. DOI: 10.1134/S1995425522070204 (Russian Text published in Lesovedenie. 2022. No. 1. P. 61–71. DOI: 10.31857/S0024114822010090).
Благодарности
Исследование выполнено в рамках базового научного проекта: FWES-2024-0023.
© 2011 - 2024