Оценка геоэкологического состояния почвенного покрова Орско-Новотроицкого промузла

Оценка геоэкологического состояния почвенного покрова Орско-Новотроицкого промузла

С.А. Дубровская, к.г.н., ИС УрО РАН

Наиболее характерным и экологически значимым процессом урбаногенного преобразования почв Орско-Новотроицкого промузла является химическое загрязнение тяжёлыми металлами (ТМ), которое проявляется уже на стадии морфологического описания разрезов и охватывает в той или иной степени практически всю территорию в пределах городской черты. Одной из наиболее важных характеристик ТМ, с точки зрения их влияния на живые организмы, является токсичность — способность оказывать вредное воздействие на микроорганизмы, растения, животных и человека. Микроэлементный состав горных пород, рыхлых образований и почв Южного Урала и Зауралья стал предметом внимания многих исследователей. Результаты таких научных изысканий отражены в работах В.Д. Кучеренко, М.А. Глазовской, В.Б. Черняхо-ва [1, 2]. В них впервые выявлены своеобразие и характер регионального распределения и поведения валовых и подвижных форм некоторых ТМ.

В настоящее время возрос интерес к проблеме изучения загрязнения почв токсичными веществами территорий с интенсивным хозяйственным освоением. С экологической точки зрения, городская почва — депонирующая среда, аккумулирующая техногенные загрязнения за многолетний период.

Объекты и методы исследования. Проведённые нами исследования были направлены на получение сведений об экологическом состоянии городских почв. В качестве объектов изучения были выбраны ТМ (Си, 7п, Со, Мп, N1, РЬ, Сё, Сг), относящиеся по токсичности к первому, второму и третьему классам опасности. В пробах почв подвижные формы определялись в вытяжке ацетатно-аммонийного буферного раствора (рН 4,8) атомно-абсорбционным методом на АА-спектрофотометре СС 115 М1. Содержание ТМ в подобных вытяжках складывается из водорастворимых, обменных и непрочно специфически сорбированных различными компонентами форм соединений ТМ [3].

Результаты исследований. В качестве исходного материала использовали аналитические данные по восьми почвенным разрезам и провели статистический анализ по двум направлениям.

На первом этапе статистической обработки рассмотрели графические изображения интервальных вариационных рядов геохимических выборок. На рисунке отражены вариационные кривые распределения концентраций ТМ, рас-

считанные для естественных и поверхностно-преобразованных почв (п = 22) и в антропогенно-глубокопреобразованных (урбанозёмах, урботех-нозёмах; п = 17).

Сравнительное изучение вариационных кривых показывает, что при наличии у каждого металла индивидуальных особенностей по характеру распределения их можно разбить на три группы. К первой группе следует отнести медь, так как влияние урбаногенных воздействий проявляется очень отчётливо: распределение приобретает вид бимодальной (двухвершинной) кривой. Левый максимум на кривых распределения урбанозёмов обусловлен местным фоном и попадает в модальный интервал природных концентраций, а правый образуется за счёт наложения антропогенной составляющей. Таким образом, выявлена высокая степень достоверности техногенного накопления меди в городских почвах.

Вторая группа элементов, в которую входят никель, кобальт, хром, свинец, кадмий, марганец, характеризуется одновершинным видом распределения данных в выборке урбанозёмов. Модальные значения концентраций имеют явный сдвиг в строну высоких значений, что свидетельствует об устойчивой тенденции накопления тяжёлых металлов в городских почвах.

Для третьей группы, в которую при сравнении вариационных кривых естественных почв и урбанозёмов выделен цинк, характерно отсутствие существенных различий. По сравнению с предыдущими группами здесь не зафиксировано заметное увеличение диапазона варьирования концентраций металла в выборках урбанозёмов.

Можно предположить, что данный элемент в максимальной степени локализован на участках, приуроченных к конкретным источникам загрязнения, образуя небольшие площади, дискретные аномалии. Вариационные кривые, характеризуя непосредственно форму распределения аналитических данных, позволяют выявить и проанализировать индивидуальные для каждого ТМ особенности воздействия антропогенных факторов. В итоге для исследуемых выборок характерен сложный тип распределения.

Второй этап статистической обработки — результаты определения математических показателей исследуемых выборок (табл. 1), подтверждающий особенности распределения ТМ, которые были выявлены при графическом анализе вариационных кривых.

Для меди, марганца и цинка характерно наибольшее увеличение средних значений (М), сте-

0,5 1 5

-условно-ненарушенные

10 50

— урбанозёмы

(5 40

Co

0,15 0,1B

-условно-ненарушенные

0,27 1,26 мг/кг

— урбанозёмы

Ni

1 5 10 130 мг/кг

-условно-ненарушенные # урбанозёмы

мг/кг

-условно-ненарушенные # урбанозёмы

-условно-ненарушенные # урбанозёмы

мг/кг

-условно-ненарушенные

урбанозёмы

-условно-ненарушенные —і

урбанозёмы

-условно-ненарушенные —і

урбанозёмы

Рис. - Вариационные кривые распределения концентраций подвижных форм тяжёлых металлов в условно-ненарушенных почвах (сплошная линия) и урбанозёмах (пунктир) Орско-Новотроицкого промузла

60 Т

50

20

10 --

0

0

0

1. Вариационно-статистические показатели содержания подвижных форм тяжёлых металлов (мг/кг) в почвах Орско-Новотроицкого промузла

Металлы Статистические показатели

М Хтіп - Хтах а V т

Естественные

Си 0,57 0,14-3,14 0,15 26,78 0,03

7п 4,47 0,37-40,0 2,40 53,61 0,51

Со 0,20 0,09-1,19 0,05 24,71 0,01

Мп 15,72 0,77-49,49 3,22 20,47 0,69

N1 7,23 0,34-126,10 5,81 80,33 1,24

РЬ 1,73 0,01-10,23 0,53 30,85 0,11

са 0,11 0,02-0,88 0,05 43,23 0,01

Сг 0,36 0,10-1,13 0,06 17,54 0,01

Антропогенно-глубокопреобразованные почвы

Си 9,43 0,12-84,0 5,49 58,22 1,33

7п 8,95 0,36-50,02 3,20 35,76 0,78

Со 0,35 0,10-1,22 0,09 25,93 0,02

Мп 102,68 12,81-325,60 31,13 30,72 7,55

N1 3,65 0,88-10,01 0,69 19,06 0,17

РЬ 2,07 0,06-4,15 0,31 14,89 0,07

са 0,11 0,03-0,20 0,02 14,61 0,004

Сг 0,52 0,09-1,59 0,08 15,74 0,10

пени варьирования концентраций (Хтах — Хтт) и, как следствие, увеличение среднего квадратного отклонения (у), коэффициента вариации (V) и ошибки среднего арифметического (т). В меньшей степени антропогенное воздействие отразилось на статистических параметрах распределения кобальта, хрома. Для свинца, никеля и кадмия статистические параметры оказались сопоставимыми по абсолютным величинам с естественными (условно-ненарушенными) и слабонарушенными почвами.

Сравнительный анализ графиков распределения подвижных форм ТМ позволяет дать предварительную оценку общих особенностей загрязнения городских почв. Высокий уровень накопления ТМ наблюдается в верхних горизонтах городских почв. Так, среди естественных почв встречаются разрезы, в которых концентрация того или иного металла значительно превосходит средние значения. Например, чернозём южный маломощный — высокое содержание цинка (40,0 мг/кг) и никеля (126,1 мг/кг); чернозём южный маломощный поверхностно-ометалливающийся — свинца (10,23 мг/кг), цинка (36,45 мг/кг) и кадмия (0,88 мг/кг).

В урбанозёмах пространственная структура распределения ТМ характеризуется крайней неравномерностью. Максимальное накопление подвижных форм ТМ не всегда приурочено к верхним горизонтам почв. Из-за нарушения генетической связи между отдельными горизонтами и почвообразующими породами наблюдается разброс концентраций металлов по почвенному профилю, что является главным диагностическим признаком при техногенном загрязнении почвенного покрова. В антропогенно-глубокопреобразованных почвах наблюдается картина радиального распределения ТМ. При

этом накопление поллютантов в более глубоких горизонтах почвы не снижает экологического риска негативных последствий загрязнения. Металлы поступают в грунтовые воды, остаются доступными для растений и микроорганизмов.

Основным показателем уровня загрязнения почв ТМ является коэффициент техногенной концентрации или аномальности (Ка), который равен отношению содержания металла в исследуемой пробе (С) к среднему фоновому содержанию (Сф): Ка = С/Сф [4—6]. Расчёт коэффициента аномальности позволил определить последовательность техногенного накопления изученных металлов в почвах данного региона.

Для изучения особенностей распределения подвижных форм ТМ по вертикальному профилю в основных типах городских почв и количественной оценки степени их загрязнения использовалась шкала (табл. 2), базирующаяся на сравнении с местным геохимическим фоном.

Нами выполнены расчёты коэффициента техногенной концентрации (табл. 3) и выявлено, что в отдельных пробах наиболее загрязнённых почв значения Ка достигают: N1 — 34,5 (126,1 мг/кг); 7п — 8,9 (40,0 мг/кг); Си — 8,9 (84,0 мг/кг); Сё - 8,0 (0,88 мг/кг); Со - 5,9 (1,22 мг/кг); РЬ — 4,9 (10,23 мг/кг); Мп — 3,1 (325,6 мг/кг);

2. Шкала оценки степени загрязнения почв ТМ

Категория загрязнения Уровень загрязнения

1. Отсутствие загрязнения <1,5

2. Слабое загрязнение 1,5-3

3. Умеренное загрязнение 3-5

4. Сильное загрязнение 5-10

5. Очень сильное загрязнение >10

3. Расчёт коэффициента аномальности (Ка) подвижных форм ТМ в городских почвах

Металлы Ка Кол-во проб с различными уровнями загрязнения

<1,5 1,5-3 3-5 5-10 >10

Естественные

Си 1,0 81,82 9,1 4,54 4,54 0

7п 1,0 90,9 0 0 9,1 0

Со 0,9 90,9 4,55 0 4,55 0

Мп 0,9 77,27 18,18 4,55 0 0

N1 2,0 90,9 0 0 0 4,54

РЬ 0,9 86,36 9,1 9,1 0 0

Са 1,0 90,9 0 4,55 4,55 0

Сг 1,0 81,82 9,09 9,09 0 0

Антропогенно-глубокопреобразованные почвы

Си 1,0 88,24 0 5,88 5,88 0

7п 0,8 82,36 11,76 0 5,88 0

Со 1,0 76,48 11,76 11,76 0 0

Мп 1,0 70,59 17,65 11,76 0 0

N1 1,0 64,71 35,29 0 0 0

РЬ 1,0 76,48 23,52 0 0 0

Са 1,0 82,35 17,65 0 0 0

Сг 1,0 94,12 5,88 0 0 0

Сг — 3,1 (1,13 мг/кг). Анализируя данные таблицы 3, следует отметить, что значения Ка металлов находятся в пределах 1,5, выделяется лишь N1, коэффициент которого составил 2,0. Также необходимо обратить внимание на встречаемость аномальных проб. Количество проб с содержанием РЬ в интервале 1,5—3 составляет 23,52%, по Мп и Со в интервале 3—5—11,76% и N1 с уровнем загрязнения более 10—4,54%.

Таким образом, рассмотренные числовые показатели отражают особенности распределения ТМ и интенсивность их накопления в городских почвах. Спектр загрязнения почв Орско-Новотроицкого промузла продуктами техногенеза достаточно разнообразен, отражая разнопрофильный состав промышленного производства, с преобладанием предприятий металлургического цикла.

Установлено, что вся территория промузла, независимо от функционального использования отдельных участков, представляет собой обширную геохимическую полиметаллическую аномалию с повышенным, высоким и очень высоким уровнем концентрации тяжёлых металлов в почве (превышение над фоновыми показателями и ПДК в отдельных пробах достигает 2—3 математических порядков). Характерная особенность загрязнения почвенного покрова исследуемой территории тяжёлыми металлами заключается в том, что наиболее насыщенные предприятиями районы не являются самыми загрязнёнными, так как основная масса выбросов переносится под влиянием преобладающих ветров западных направлений и выпадает на смежных территориях (прежде всего, на водоразделе между Новотроицком и Орском и на

восточной окраине Орска). При этом формируются поверхностно-ометалливающиеся разновидности урбопочв с наличием поверхностного горизонта А0Х (мощностью до 10—15 см), позволяющего уже на стадии морфологического описания разреза диагностировать их загрязнение ТМ. Подобные почвы занимают обширные ареалы (десятки кв. километров), захватывая территории сельскохозяйственного (в т.ч. садово-огородные участки), рекреационного и селитебного назначения.

Заключение. Степень загрязнения городских почв зависит от объёмов выбросов промышленных объектов, транспорта, от длительности их воздействия и устойчивости почвенного покрова к загрязнению. Чем она ниже, тем выше содержание загрязняющих веществ в почвах. Тяжёлые металлы, накапливаясь в городских почвах в больших количествах, оказывают существенное влияние на все звенья почвенного биоценоза. Изменения сопровождаются снижением общего уровня биопродуктивности почв, в том числе негативными последствиями для высших растений.

Литература

1. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. М.: Высшая школа, 1988. 328 с.

2. Кучеренко В.Д., Черняхов В.Б. Содержание микроэлементов в почвах Оренбургской области // Микроэлементы в почвах Советского Союза. Вып. 1. М., 1973. С. 96—100.

3. Добровольский В.В. Ландшафтно-геохимические критерии оценки загрязнения почвенного покрова тяжёлыми металлами // Почвоведение. 1999. № 5. С. 639—645.

4. Большаков В.А., Кахнович З.Н. Загрязнение тяжёлыми металлами почв газонов Ленинского района г. Москвы // Почвоведение. 2002. № 1. С. 121—126.

5. Ладонин Д.В. Соединения тяжёлых металлов в почвах — проблемы и методы изучения // Почвоведение. 2002. № 6. С. 682—692.

6. Металлы в окружающей среде. Почвы геохимических ландшафтов Ростовской области: учеб. пособие. М.: Логос, 2002. 312 с.