Содержание валовых форм тяжелых металлов в почвах Костромской области

О. Ю. Лебедева, Г. Т. Фрумин

СОДЕРЖАНИЕ ВАЛОВЫХ ФОРМ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТИ

Среди многочисленных веществ, загрязняющих биосферу, тяжелые металлы (ТМ) считаются самыми опасными. ТМ — группа химических элементов, имеющих плотность более 5 г/дм3. Этот термин заимствован из технической литературы, где металлы классифицируются на легкие и тяжелые [1].

Основными источниками загрязнения почв металлами являются: орошение водами с повышенным содержанием тяжелых металлов, внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения, вторичное загрязнение вследствие выноса металлов из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками, поступление больших количеств тяжелых металлов при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов, содержащих тяжелые металлы. Тяжелые металлы антропогенного происхождения попадают в почву из воздуха в виде твердых или жидких осадков. Лесные массивы с их развитой контактирующей поверхностью особенно интенсивно задерживают тяжелые металлы, при этом в первую очередь удерживают наиболее мелкие частицы. Опасность загрязнения тяжелыми металлами из воздуха в равной степени значима для любых почв. Ионы тяжелых металлов способны специфически адсорбироваться почвами с образованием относительно прочных связей с некоторыми поверхностными функциональными группами.

Образование комплексных соединений металлов с органическим веществом почвы способствует выведению излишних масс металлов из миграционных циклов на длительное время. Прочность фиксации разных металлов в органическом веществе почв неодинакова. Наиболее прочно закрепляется ртуть, прочно связывается свинец, менее прочно — медь, еще менее — цинк и кадмий. Загрязнение почв металлами приводит к изменению видового состава комплекса микроорганизмов. Происходит значительное сокращение видового разнообразия комплекса почвенных микромицетов и появление устойчивых к тяжелым металлам микромицетов.

Почва является особой формой биосферы: ее слой не только накапливает все загрязняющие вещества, но и выступает как природный переносчик химических элементов в атмосферу, в гидросферу, в растения, в нашу пищу. Металлы сравнительно легко накапливаются в почвах, но трудно и медленно из нее удаляются. Периоды полуудале-ния из почвы: цинка—до 500 лет, кадмия — до 1100 лет, меди—до 1500 лет, свинца — до нескольких тысяч лет.

Процесс трансформации поступивших в почву в процессе техногенеза тяжелых металлов включает следующие стадии: 1) преобразование оксидов тяжелых металлов в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты); 2) растворение гидроксидов (карбонатов, гидрокарбонатов) тяжелых металлов и адсорбция соответствующих катионов тяжелых металлов твердыми фазами почв; 3) образование фосфатов тяжелых металлов и их соединений с органическими веществами почвы [2].

Особо отметим следующее:

© О.Ю.Лебедева, Г.Т.Фрумин, 2011

1. Для каждого химического элемента существует свой определенный средний уровень концентрации в различных компонентах географической оболочки — горных породах, водах, живом веществе, атмосферном воздухе, почве. При превышении этого уровня в деятельности организмов появляются заметные нарушения.

2. На общем фоне выделяются территории, для которых характерно избыточное или недостаточное содержание тех или иных элементов в среде. Это геохимические аномалии, которые так или иначе воздействуют на растения, животных, человека, способствуя развитию эндемических заболеваний биогеохимической природы. Это болезни, постоянно существующие на ограниченной территории и причинно связанные с ее климатогеографическими, в том числе биогеохимическими и техногенными, факторами [3].

В связи с изложенным цель данного исследования заключалась в оценке региональных особенностей распределения содержания двенадцати металлов (титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, стронций, свинец, мышьяк) в почвах 10 районов Костромской области (рисунок). Для достижения этой цели были отобраны и проанализированы пробы почв десяти районов области. В работе был использован рентгенофлюоресцентный анализ, проведенный на приборе «Спектроскан Макс». Рентгенофлюоресцентный анализ имеет несомненное преимущество перед атомной абсорбцией, пламенной фотометрией и полярографией в том, что не требует растворения пробы перед анализом и не расходует вещество пробы и не изменяет его химический состав, что позволяет анализировать один и тот же образец необходимое число раз [1]. Весь процесс пробоподготовки и анализа проб был проведен на базе Лаборатории геохимии окружающей среды им. А. Е. Ферсмана факультета географии РГПУ им. А. И. Герцена. Для математико-статистической обработки данных был использован табличный процессор Microsoft Excel [4].

Карта-схема Костромской области.

Районы: 1—Антроповский, 2 — Буйский, 4 — Галичский, 7—Костром-

ской, 8 — Красносельский, 13 — Нерехтский, 15 — Островский, 21 — Судислав-ский, 22 — Сусанинский, 23 — Чухломской.

Результаты анализов были сопоставлены с кларками почв, приведенными в работе [5]. В результате были выявлены статистически значимые регрессионные уравнения между десятичными логарифмами содержания металлов [Ме] и их кларками [кларк] (табл. 1 и 2).

Металл Кларк, мг/кг Металл Кларк, мг/кг Металл Кларк, мг/кг

Титан 4600 Железо 38000 Цинк 50

Ванадий 100 Кобальт 10 Стронций 300

Хром 200 Никель 40 Свинец 10

Марганец 850 Медь 20 Мышьяк 5

Таблица 2. Количественные соотношения между средним валовым содержанием металлов в некоторых районах Костромской области и их кларками

Район Аналитическое выражение г2 аУ(Х) Ет/Ер

Антропове кий ^[Ме] = 0,038 + 0,870 • ^[кларк] 0,930 0,292 132,8 27,4

Буйский ^[Ме] = 0,195 + 0,882 • 1§[кларк] 0,958 0,225 229,8 47,5

Галичский ^[Ме] = 0,196 + 0,884 • ^[кларк] 0,970 0,190 323,8 66,9

Костромской ^[Ме] = 0,086 + 0,866 • ^[кларк] 0,938 0,271 151,2 31,2

Красносельский ^[Ме] = 0,166 + 0,881 • ^[кларк] 0,958 0,226 227,5 47,0

Нерехтский ^[Ме] = 0,095 + 0,901 • ^[кларк] 0,941 0,276 159,2 32,9

Островский ^[Ме] = 0,248 + 0,878 • ^[кларк] 0,911 0,336 101,9 21,1

Судиславский ^[Ме] = 0,218 + 0,876 • ^[кларк] 0,959 0,220 236,0 48,8

Сусанинский ^[Ме] = 0,148 + 0,895 • 1§[кларк] 0,961 0,220 246,1 50,8

Чухломской ^[Ме] = 0,087 + 0,907 • ^[кларк] 0,956 0,236 219,8 45,4

Примечание. г2 — коэффициент детерминации, &у(х) —стандартная ошибка, Ер — расчетное значение критерия Фишера, Ет — табличное значение критерия Фишера для уровня значимости 95%.

Приведенные в табл. 2 статистические характеристики свидетельствуют о том, что выявленные количественные соотношения между содержанием металлов в почвах Костромской области и их кларками характеризуются тесной корреляционной связью (объяснимая доля разброса г2 варьирует от 0,930 до 0,970). Более того, расчетные значения критерия Фишера (^р) существенно превышают табличное значение _Рт = 4,18 для уровня значимости 95%. Это означает, что все вышеприведенные аналитические зависимости могут быть использованы для прогнозирования содержания в почвах исследованных районов Костромской области тех металлов, для которых такие определения не проводились.

Для иллюстрации этого тезиса в табл. 3 приведены результаты прогноза содержания кадмия в почвах вышерассмотренных районов Костромской области. Для расчетов было использовано значение кларка кадмия, равное 0,06 мг/кг [6]. Прогнозируемые величины содержания кадмия были сопоставлены с фактически определенными (опытными) величинами. Определение фактического содержания валовых форм кадмия было проведено в независимой лаборатории ЦЛАТИ (Центр лабораторного анализа и технических измерений по Северо-Западному федеральному округу) и Федеральном государственном учреждении государственной станцией агрохимической службы «Костромская» (ФГУ «Костромская»).

Как следует из данных, приведенных в табл. 3, расхождение между прогнозируемыми величинами и фактическим содержанием валовых форм кадмия можно рассматривать как вполне удовлетворительное. Действительно, прогнозируемое нами содержание кадмия, как правило, располагается между данными ЦЛАТИ и ФГУ «Костромская». Несколько ниже прогнозируемые величины для почв Сусанинского и Чухломского районов.

Таблица 3. Прогнозируемое и фактическое содержание валовых форм кадмия в некоторых районах Костромской области

Район Прогноз, мг/кг ЦЛАТИ, мг/кг ФГУ «Костромская», мг/кг

Галичский 0,13 0,20 0,25

Костромской 0,11 0,07 0,16

Островский 0,15 0,10 0,20

Судиславский 0,14 0,13 0,23

Сусанинский 0,11 0,15 0,21

Чухломской 0,095 0,122 0,31

Справедливо отмечается, что «выступая за ограничение использования в практической деятельности экологов ПДК, следует предложить вместо них новые, более приемлемые показатели допустимых концентраций в конкретных природных условиях» [7]. В качестве таких нормируемых показателей для отдельных крупных регионов целесообразно использовать местные фоновые содержания химических элементов в почвах. Надежная характеристика фонового содержания контролируемых химических веществ в почвах может быть получена при проведении специального обследования фоновых почв [8]. Объектами наблюдения для фонового мониторинга служат почвы, характерные для региона исследования, в минимальной степени подверженные антропогенному воздействию, например почвы в заповедниках или памятниках природы.

В работе [9] отмечено, что «с некоторыми погрешностями можно считать, что выброс металлов в географическую оболочку в процессе техногенеза пропорционален плотности населения ».

Среди обследованных нами районов наименьшая плотность населения установлена для Чухломского района (5,23 чел./км2), а наибольшая — для Костромского района (157,5 чел./км2). В этой связи и в первом приближении минимальные из определенных величин концентраций металлов в почвах Чухломского района можно рассматривать как «условно-фоновые» концентрации (табл. 4).

Таблица 4. Условно-фоновые концентрации металлов, мг/кг

Металл Фоновая концентрация Металл Фоновая концентрация

Железо 11425 Цинк 16

Титан 2011 Кобальт 13

Марганец 188 Никель 13

Стронций 52 Медь 7

Хром 42 Свинец 6

Ванадий 27 Мышьяк 2

Для оценки уровня загрязненности почв обычно используют суммарный показатель загрязнения Zе, рассчитываемый по следующей формуле [10]:

= £[(С - Сф)/Сф],

где С — реальное содержание загрязняющего вещества в почве, Сф — фоновое содержание.

Результаты расчетов по вышеприведенной формуле показали, что в наибольшей степени загрязнены металлами почвы Судиславского района ^е = 21, 3), а в наименьшей

степени — почвы Антроповского района ^е = 10, 2) (табл. 5). Для выявления приоритетных (наиболее значимых) металлов, загрязняющих почвы, были рассчитаны коэффициенты концентрации (Кс), определяемые отношением реального содержания тяжелого металла в почве к его фоновой концентрации. В перечень приоритетных металлов были включены те металлы, для которых Кс > 2.

Таблица 5. Суммарный показатель загрязнения почв Костромской области и приоритетные загрязняющие вещества

Район Zc Приоритетные загрязняющие вещества Район Zc Приоритетные загрязняющие вещества

Антропове кий 10,2 РЬ, Си Красносельский 18,2 РЬ, Си, Мп, Zn

Костромской 11,5 РЬ, Си Сусанинский 18,6 РЬ, Си, Мп, Zn

Чухломской 16,4 РЬ, Мп Галичский 19,2 РЬ, Мп, Zn

Нерехтский 16,8 РЬ, Мп Буйский 20,3 РЬ, Си, Мп, Zn, As

Островский 17,7 РЬ, Си, Мп, Zn Судиславский 21,3 РЬ, Си, Мп, Zn

Согласно [10], Zc < 16 соответствует допустимой, а Zc16-32— умеренно опасной категории загрязнения почв. Как следует из данных, приведенных в табл. 5, почвы Антроповского и Костромского районов характеризуются допустимой категорией загрязнения, а почвы остальных исследованных районов — умеренной опасной категорией загрязнения.

Литература

1. Алексеев Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат. Лен. отд., 1987. 142 с.

2. Дмитриев В. В., Фрумин Г. Т. Экологическое нормирование и устойчивость природных систем. СПб.: СПбГУ, РГГМУ, 2004. С. 91-92.

3. Рустембекова С. А., Барабошкина Т. А. Микроэлементоментозы и факторы экологического риска. М.: Университетская книга; Логос, 2006. 112с.

4. Макарова Н. В., Трофимец В. Я. Статистика в Excel: Учебное пособие. М.: Финансы и статистика, 2002. 368 с.

5. Войткевич Г. В., Мирошников А.Е., Поваренных А. С., Прохоров В. Г. Краткий справочник по геохимии. М.: Недра, 1970. С. 61.

6. Кист А. А. Феноменология биогеохимии и бионеорганической химии. Ташкент: Изд-во «ФАН», 1987. 236 с.

7. Алексеенко В. А. Экологическая геохимия: Учебник. М.: Логос, 2000. 627с.

8. Бычинский В. А., Вашукевич Н. В. Тяжелые металлы в почвах в зоне влияния промышленного города. Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 2007. 160 с.

9. Бондарев Л. Г. Ландшафты, металлы и человек. М.: Мысль, 1976. 72 с.

10. Тонкопий Н. И., Перцовская А. Ф., Григорьева Т. И., Сает Ю. Е., Ревич Б. А., Смирнова Р. С. Методические подходы к оценке степени загрязнения почв химическими веществами // Гигиена и санитария. 1988. №1. С. 5-9.

Статья поступила в редакцию 1 июня 2010 г.