Содержание тяжёлых металлов в почвенном покрове пригородных лесов города Самары

УДК 57.044

СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ ПРИГОРОДНЫХ

ЛЕСОВ ГОРОДА САМАРЫ

© 2015

И.В. Казанцев, кандидат биологических наук, декан естественно-географического факультета Т.Б. Матвеева, кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры биологии,

экологии и методики обучения С.Л. Молчатский, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры химии,

географии и методики их преподавания Поволжская государственная социально-гуманитарная академия, Самара

Аннотация. В работе приведены данные о содержании тяжёлых металлов в почвах пригородных лесов и городских парках г. Самары. На основании полученных результатов проведена оценка степени техногенного загрязнения тяжёлыми металлами почв данных территорий. Исследования проводились в 2014 и 2015 годах в пригородных лесах и городских парках города Самары. Было заложено 22 пробные площади, на которых проводился отбор образцов почв по общепринятым методикам. Определение содержания тяжёлых металлов в почвах осуществлялось рентгенофлуоресцентным методом. Полученные значения сравнивали с нормативными данными - региональным фоновым уровнем, предельно-допустимой концентрацией и кларковым значением. Для оценки интенсивности и степени опасности загрязнения почвы химическими веществами применялся коэффициент техногенной концентрации элемента. Проведенные исследования показали, что повышенное содержание тяжёлых металлов и металлоидов в почвах пригородных лесов г. Самары связано с загрязнением техногенными потоками с энергетических и промышленных предприятий, проходящих вблизи транспортных путей. Данный результат не противоречит стандартной экологической ситуации в крупных населенных пунктах. Полученные материалы могут служить основой для дальнейшего мониторинга пригородных лесов зелёной зоны города Самары.

Ключевые слова: пригородные леса; тяжёлые металлы; предельно допустимая концентрация; региональный фоновый уровень; коэффициент техногенной концентрации элемента; экологический мониторинг; почвенный мониторинг; Самарская область; Самара.

Основной причиной ухудшения состояния урбанизированных территорий является техногенное воздействие [1]. Выбросы энергетических и промышленных предприятий [1, 2], автотранспорта [2, 3, 4] и железнодорожного транспорта [5, 6, 7, 8] являются основными источниками поступления в почвенный покров загрязнителей, в том числе и целого комплекса тяжёлых металлов, считающихся наиболее токсичными из поллю-тантов. Самарская область является высоко развитым промышленным регионом, для которого проблема загрязнения окружающей среды поллютантами весьма актуальной [9]. Пригородные леса города Самары подвергается данному влиянию, поэтому представляет большой интерес для эколого-геохимических исследований [10]. Особое воздействие испытывают парковые зоны города Самары[11], где процессы накопления тяжёлых металлов проходят интенсивнее чем за пределами городской черты [12, 13]. Опасность загрязнения почв тяжёлыми металлами городских и селитебных зон опасна тем, что зачастую вблизи располагаются земли сельскохозяйственного назначения и жилые строения с приусадебными участками. Таким образом, тяжёлые металлы вовлекаются в системы: «растение-человек» или «растение-животное-человек» [9, 14, 15, 16, 17], что в конечном итоге влияет на здоровье человека. В связи с вышесказанным, количественная оценка пространственного распределения тяжёлых металлов в почвах пригородных лесов является важным аспектом и подтверждает актуальность выбранной темы исследования.

Исследования проводились в 2014 и 2015 годах в пригородных лесах и городских парках города Самары (Ботанический сад, Загородный парк). Было заложено 22 пробные площади, на которых проводился отбор образцов почв по общепринятым методикам [18, 19, 20]. Почвенные пробы доводились до воздушно-сухого состояния, измельчались, просеивались через сито диаметром 1 мм, из них отбирались навески массой по 20 г и помещались в маркированные пакеты. Определение содержания тяжёлых металлов и металлоидов в почвах осуществлялось рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре М-049-П/10. Определяли наиболее распространенные по литературным данным [1, 11, 15, 21] для Самарской области тяжёлые металлы: титан, марганец, железо, ванадий, медь, хром, никель, цинк, свинец,

стронций. Полученные значения сравнивали с нормативными данными - региональным фоновым уровнем (таблица 1) [21], предельно-допустимой концентрацией (таблица 2) [22, 23, 24] и кларковым значением (таблица 3) [25].

Таблица 1 - Фоновое содержание тяжёлых металлов в почвах Самарской области по Н.В. Прохоровой [21]

Элемент Т1 Мп Ре V Сг Со N1 Си 7п РЬ &

Региональный 4674,3 6В77 33592 71:1 102,0 12,4 25,6 502 755 11,2 171,9

Таблица 2 - Среднее содержание (кларки) тяжёлых металлов в земной коре, мг/кг по данным Ф. Кларка и А.П. Виноградова [25]

Элемент Ф. Клар!

Ее 47000,0 46500,0

ТЪ 20,0 16,0

Си 100,0 47,0

Сг 330,0 83,0

40,0 83,0

№ 18,0 58,0

15 5800,0 4500,0

Со 100,0 18,0

Мл 800,0 1000,0

V 160,0 90,0

170,0 340,0

Таблица 3 - Предельно-допустимая концентрация тяжёлых металлов в почве, мг/кг [22, 23, 24]

Для оценки интенсивности и степени опасности загрязнения почвы химическими веществами применялся коэффициент техногенной концентрации элемента (Кс) [5, 24], который рассчитывался по формуле:

где К0бщ - содержание элемента в исследуемой почве, Кфон - фоновое содержание элемента в почве.

При проведении количественного анализа исследуемых образцов почв на наличие тяжёлых металлов выявлено, что все выше перечисленные металлы присутству-

ют в разной концентрации в исследуемых почвах.

Титан. Металл накапливается в почвах исследуемых участков в количестве 2117-3400,5 мг/кг сухой почвы (пригородные леса) и 1727,8-3299,4 мг/кг сухой почвы (городские парки). Средняя концентрация металла составляет 2623,6 мг/кг сухой почвы. Таким образом, содержание элемента не превышает значений регионального фонового уровня, ПДК и кларковой величины.

Марганец. Средняя концентрация металла в почвах пригородных лесов соответствует 692,6 мг/кг, а для городских парков - 704 мг/кг, что незначительно превышает фоновый уровень, но не достигает ПДК и кларко-вой величины.

Железо. Средняя концентрация элемента - 25456,4 мг/кг. Металл накапливается в количестве 18584,731268,3 мг/кг (пригородные леса) и 17406,9-40703 мг/кг сухой почвы (парки города Самары), что незначительно превышает фоновый уровень, но не достигает кларковой величины. ОДК для железа равен 40000 мг/кг. Таким образом, лишь в нескольких пробах на территории города Самары ОДК была превышена.

Ванадий. Средняя концентрация составляет 51,8 мг/ кг. Установлено, что металл концентрируется в пределах 33,5-70,4 мг/кг (пригородные леса) и 40,7-71,4 мг/ кг (городские парки) сухой почвы, что ниже значений ПДК, регионального фонового уровня и кларковой величины.

Медь. При изучении содержания меди в почвах выявлено, что средняя концентрация элемента - 73,9 мг/ кг. Металл накапливается в количестве 48,7-102,8 мг/ кг (пригородные леса) и 48,8-101,9 мг/кг сухой почвы (городские парки). ПДК меди, фоновый уровень и клар-ковая величина превышены на всех участках.

Хром. Концентрация металла в почвах исследуемых участков составляет 82-127,5 мг/кг (пригородные леса), 82,9-128 мг/кг сухой почвы (городские парки), средняя концентрация элемента - 105,9 мг/кг. ПДК хрома, фоновый уровень и кларковая величина превышены на всех участках.

Никель. По результатам проведенных исследований выявлено, что никель в почвах содержится в пределах 32,4-60,6 мг/кг (пригородные леса) и 34,9-75 мг/кг (городские парки), средняя концентрация элемента - 48,3 мг/кг. Полученные данные свидетельствуют, что содержание металла в почвах на всех участках не достигает значения ПДК, но превышает региональный фоновый уровень примерно в 1,3-2,6 раза, находится в пределах кларковой величины.

Цинк. При изучении содержания цинка в почвах пригородных лесов выявлено, что металл содержится в количестве 48,8-96,3 мг/кг, средняя концентрация металла - 73,2 мг/кг. Полученные данные свидетельствуют, что содержание металла в почвах на всех участках не достигает значения ПДК, сопоставимо с региональным фоновым уровнем и кларковой величиной.

Свинец. Свинец на исследуемых участках накапливается в количестве 1,9-23,1 мг/кг (пригородные леса) и 4-20,8 мг/кг сухой почвы (городские парки), средняя концентрация металла - 8,8 мг/кг. Содержание свинца в почвах исследуемых участков ниже ПДК, фонового уровня и кларковой величины.

Кобальт. В почвах металл отмечен только в Загородном парке. Его содержание в почве не превышает значений ПДК и регионального фонового уровня.

Стронций: Средняя концентрация металла - 127,9 мг/кг. Содержание стронция в почвах исследуемых участков составляет от 86,9 мг/кг до 150,3 мг/кг и не превышает значений регионального фонового уровня и кларковой величины.

Загрязнение почв тяжёлыми металлами по каждому из исследуемых участков в отдельности позволяет выявить сходные тенденции в их накоплении (рисунок 1).

Таким образом, в меньшей степени в изучаемых

нами почвах содержится ванадий, стронций и титан. Наличие марганца, железа, никеля, цинка, свинца не превышает ПДК, но выше регионального фонового уровня. Превышение кларковой величины железа и марганца связано с естественным их содержанием в почвах. Количество хрома незначительно превышает пороговые значения. Наиболее сильным загрязнителем является медь. Основные элементы, которые присутствуют в техногенных потоках загрязнения - медь, никель, хром, цинк и свинец. Наблюдается значительное превышение фоновых значений по хрому, никелю и, особенно, по меди.

Рисунок 1 - Среднее содержание тяжёлых металлов

в почвах пригородных лесов и городских парков г.

Самары, мг/кг

Полученные нами данные позволяют построить элементный ряд накопления тяжёлых металлов по убыванию их концентраций в почвогрунтах исследуемых участков: Fe > Т > Мп > Sr > Сг > гп > Си > V > № > РЬ > Со.

Суммарная концентрация исследованных тяжёлых металлов в почвах составляет 32487,4-48167,5 мг/кг (пригородные леса) и 28711,5-65308,8 мг/кг сухой почвы (городские парки). В накоплении тяжёлых металлов в почвах в городских парках выявлены общие закономерности: наблюдается превышение фоновых значений по большинству элементов, за исключением титана, ванадия и стронция, превышение ПДК отмечено для меди (в 1,8 раза), хрома (в 1,3 раза).

Для оценки интенсивности и степени опасности загрязнения почвы тяжёлыми металлами дополнительно рассчитывались коэффициенты техногенной концентрации элемента (Кс), что позволило выявить уровень загрязнения почв по каждому из элементов на разных участках (таблица 4).

Таблица 4 - Коэффициенты техногенной концентрации (Кс) тяжёлых металлов в почвах района исследования

Район иг Тяжелые металлы

Д - И Мп V Сг № Си гп РЬ Зг

Пригородные леса

12 квартал 1,03 1,48 1,11 0,71 1,02 2,11 1,98 1,00 1,24 0,59

11 квартал 0,79 1,16 0,92 0,61 0,93 1,61 1,72 0,81 0,99 0,71

8 квартал 0,76 1,15 0,96 0,56 0,95 1,63 1,70 1,00 1^3 0,86

1 квартал 1,03 1,55 1.09 0,8 1,18 1."1 1,37 0,83 0,72 0,71

6 квартал 0,93 0,97 0,91 0,65 1,16 1,45 1,33 0,85 0,73 0,78

5 квартал 0,96 1,40 1,12 0,77 1,06 1,85 2,12 0,95 1,14 0,67

9 квартал 1,03 1.76 1.05 0.71 1,26 1,63 1,46 0,82 1,42 0,69

10 квартал 0,32 1,06 0,33 0,47 0,98 1,38 1,34 0,74 0,30 0,78

Городские парки

Ботанический с ад 0,74 1,03 0,89 0,57 1,09 1,56 1,65 1,06 1,89 0,8

Загородный парк 1,03 1,52 13 0,80 1,18 2,06 1,67 1,10 0,36 0,77

Опасность загрязнения тем выше, чем больше Кс превышает единицу, в связи с этим, элементы по данному показателю разделены на три группы: наименьшие значения коэффициента техногенной концентрации отмечены для ванадия. К следующей группе относятся титан, марганец, железо, хром, цинк, стронций и свинец, загрязняющие почвы в большей степени. Наибольшие показатели зарегистрированы для марганца (7 и 9 кварталы), никеля и меди практически на всех участках, за исключением 6, 7, 9 и 10 кварталов пригородных лесов. Такая же закономерность прослеживается в почвогрун-тах городских парков.

Повышенное содержание тяжёлых металлов и металлоидов в почвах пригородных лесов г. Самары связано с

загрязнением техногенными потоками с промышленных предприятий и расположенных вблизи транспортных путей. Выяснение территорий, являющихся основными источниками полиметаллического загрязнения представляет собой важную проблему и требует более детального и глубокого изучения. Полученные материалы могут служить основой для дальнейшего мониторинга пригородных лесов зелёной зоны г. Самары.

Основными тяжёлыми металлами, которые присутствуют в техногенных потоках загрязнения почв пригородных лесов окрестностей Самары являются свинец, цинк, хром, никель и медь. Для меди и никеля отмечены высокие значения коэффициентов техногенной концентрации. Незначительно загрязнены почвы пригородных лесов ванадием, стронцием и титаном.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Прохорова Н.В. Металлы и металлоиды в лесостепных и степных ландшафтах Самарской области // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т. 15. № 3-7. С. 2328-2332.

2. Владимиров С.Н., Скорик А.С. Влияние автотранспорта и промышленности на содержание тяжёлых металлов в почвах г. Тулы // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 3-1 (8-1). С. 332-335.

3. Чикенёва И.В., Лутовина Е.Е. Техногенное воздействие транспорта на экологическую обстановку Оренбургской области // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2015. № 1 (51). С. 128-131.

4. Прохорова Н.В. Эколого-геохимическая роль автотранспорта в условиях городской среды // Вестник Самарского государственного университета. 2005. № 5 (39). С. 188-199.

5. Казанцев И.В. Железнодорожный транспорт как источник загрязнения агроландшафтов тяжёлыми металлами // Самарский научный вестник. 2014. № 2 (7). С. 41-43.

6. Коркина С.В., Акименко Я.В., Руцкий В.М., Пурыгин П.П. Исследование выбросов подвижного состава железнодорожного транспорта по интенсивности загрязнения снежного покрова // Вестник СамГУ. Второй спец. выпуск. Самара: Изд-во госуниверситет. 2003. С. 127-133.

7. Журавлева М.А., Зубрев Н.И., Кокин С.М. Загрязнение полосы отвода // Мир транспорта. 2012. Т. 41. № 3. С. 112-118.

8. Теплякова Е.А., Бельков В.М. Загрязнение земель инфраструктуры // Путь и путевое хозяйство. 2013. № 7. С. 2-4.

9. Прохорова Н.В., Матвеев Н.М. Тяжёлые металлы в почвах и растениях в условиях техногенеза // Вестник СамГУ. 1996. № 2. С. 125-144.

10. Матвеева Т.Б. Оценка рекреационной нару-шенности пригородных лесов г. Самары // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. № 5-1. С. 123-126.

11. Прохорова Н.В., Лобачева А.А., Рогулёва Н.О., Морозова Н.А. Некоторые особенности химического загрязнения почвенного покрова в городе Самаре // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2009. Т. 11. № 1-4. С. 562-566.

12. Синцов А.В., Бармин А.Н., Валов М.В. Динамика тяжёлых металлов в почвах урбоэкосистем // Геология, география и глобальная энергия. 2014. № 4 (55). С. 148156.

13. Макарова Ю.В. Эколого-биогеохимические исследования в агрофитоценозах Самарской области // Вестник Самарского государственного университета. 2006. № 7. С. 108-117.

14. Сморкалов И.А., Воробейчик Е.Л. Влияние промышленного загрязнения тяжёлыми металлами на

удельную дыхательную активность лесной подстилки // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. Т. 5. № 37-1. С. 224-227.

15. Власова Н.В., Макарова Ю.В., Прохорова Н.В. Особенности аккумуляции тяжёлых металлов в разных типах фитоценозов на территории Самарской луки // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т. 12. № 1-3. С. 661-664.

16. Трубников В.В., Злобина Ю.М., Федосова И.В. Закономерности распределения микроэлементов биофилов и тяжёлых металлов в системе почва - растение в урбанизированной среде // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2013. № 4 (42). С. 211-213.

17. Копылова Л.В. Особенности поглощения некоторых тяжёлых металлов древесными растениями в условиях городской среды // Вестник Иркутской государственной сельскохозяйственной академии. 2011. Т. 3. № 44-3. С. 91-99.

18. Лукашев О.В., Жуковская Н.В. Ретроспективная оценка загрязнения почв и растительности г. Кобрина металлами // Природные ресурсы. 2009. № 1. С. 15-21.

19. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. Эколого-аналитический мониторинг супертоксикантов. М.: Изд-во «Химия». 1996. 312 с.

20. Методические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами / под ред. Н.Г. Зырина, С.Г. Малахова. М.: Изд-во «Гидрометеоиздат», 1981. 109 с.

21. Прохорова Н.В., Матвеев Н.М. Территориальные особенности распределения тяжёлых металлов в почвах Самарской области // Известия Самарского научного центра РАН. 2000. Т. 2. № 2. С. 306-310.

22. Гончарук Е.И. Гигиеническое нормирование химических веществ в почве. М.: Изд-во «Медицина», 1986. 320 с.

23. Перечень предельно-допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно-допустимых количеств (ОДК) химических веществ в почве. Издание специальное. М.: Изд. Госкомсанэпиднадзора России, 1991. 18 с.

24. Титова В.И., Дабахов М.В., Дабахова Е.В. Экотоксикология тяжёлых металлов. Н.-Новгород: Изд-во НГСХА, 2001. 135 с.

25. Алексеенко В.В. Геохимия ландшафта и окружающая среда. М.: Изд-во «Наука», 1990. 142 с.

THE CONTENT OF HEAVY METALS IN THE SOIL COVER OF SUBURBAN

FORESTS OF SAMARA

© 2015

I.V. Kazantsev, candidate of biological sciences, dean of natural-geographical faculty T.B. Matveeva, candidate of biological sciences, assistant professor of the chair of biology, ecology

and methods of teaching

S.L. Molchatsky, candidate of physical and mathematical sciences, associate professor of the chair of chemistry, of geography and its teaching methods

Samara State Academy of Social Sciences and Humanities, Samara

Abstract. This paper presents data on the content of heavy metals in the soils of suburban forests and urban parks in Samara. Based on the obtained results the evaluation of the degree of industrial heavy metal pollution of soils of these territories. The research was conducted in 2014 and 2015, in suburban forests and urban parks of the city of Samara. Was laid down on 22 plots on which to conduct sampling of the soil by conventional methods. Determination of heavy metals content in soils was carried out x-ray fluorescence method. The values obtained were compared with normative data of the regional background level, maximum allowable concentration and percent abundance value. To assess the intensity and severity of soil contamination by chemicals used the coefficient of technogenic concentration of the element. Studies have shown that high concentrations of heavy metals and metalloids in the soils of suburban forests in Samara is connected with the technogenic pollution of streams from energy and industrial enterprises, passing near the transport routes. This result does not contradict the standard environmental situation in large towns. The resulting materials can serve as a basis for further monitoring of forests of suburban green zones of Samara.

Keywords: suburban forests; heavy metals; maximum permissible concentration; regional background level; the coefficient of technogenic concentration of element; environmental monitoring; soil monitoring; Samara region; Samara.