Соединения тяжёлых металлов в урбанозёмах Пушкинского района Санкт-Петербурга

мелиоративных и агрономических мероприятий. Дренаж, врезанный в водоносный горизонт черноземно-луговых засоленных почв, способствует быстрому сбросу гравитационной влаги и глубокому просыханию профиля уже в первый год после осушения.

В хозяйствах района на пастбищах, распаханных под улучшение, возделывались однолетние кормовые культуры на зелёный корм и сено с последующими посевами многолетних трав, но соответствующего ухода за пастбищами в последнее десятилетие не проводилось. На этих участках рекомендуется провести залужение многолетними травами.

Цель залужения - предотвращение развития эрозионных процессов, улучшение качественного состава корма. Залужение рекомендуется провести в первую очередь улучшения. Подсев трав следует проводить весной, глубина заделки семян 2-3 см. При залужении за посевами многолетних трав необходим постоянный уход, заключающийся в борьбе с сорняками, ранневесеннем бороновании для рыхления корки и сохранения влаги в почве, подкормке минеральными удобрениями и другие. Восстановление продуктивности выродившихся травостоев возможно в результате перезалужения пастбищ.

Таким образом, создание экологически устойчивых агроландшафтов позволяет повысить устойчивость производственно-территориальных структур, что в конечном счете повышает экологическую эффективность использования земли. Динамические свойства современных агроландшафтов могут быть познаны лишь с позиций экологического подхода, когда в центре изучения будут почвы и экологические экосистемы агроландшафтов. С учетом антропогенных воздействий они создают современную экологическую обстановку в пределах агроландшафта.

Литература

1. Бабушкин В.М., Кривоконева Е.Ю., Новиков A.A. Природные ресурсы черноземов юга России и их рациональное использование. - Новочеркасск: Лик, 2013. - 170 с.

2. Кривоконева Е.Ю. Агроэкологическое состояние плодородия черноземов Центрального Предкавказья (на примере Кировского района Ставропольского края): Дис...канд. биол.наук. - Новочеркасск, 2008. -129 с.

3. Марьин А.Н., К. нош мм П.В. Земли сельскохозяйственного назначения: мониторинг, деградация, охрана.

-М: Колос, 2010.-396 с.

4. Шевченко Д.А. Комплекс мер по охране земель и улучшению состояния агроландшафтов северозападной части Ставропольской возвышенности: Дис... канд. с.-х. наук. - Ставрополь, 2004. - 270 с.

5. Клншшн П.В., Цыганков A.C. Основы землеустройства: Учебник. - Ставрополь, 2002. - 424 с.

6. Куприченков М.Т., Симбирев Н.Ф., Цыганков A.C., Петрова АС. Мониторинг плодородия земельных

ресурсов Ставропольского края. - Ставрополь, 2002. - 248 с.

7. Трухачев В.И., Клншшн П.В., Цыганков A.C., Чернышев В.Н. Земельные ресурсы Ставропольского края. - Ставрополь, 2001. - 158 с.

8. Новиков A.A., Кривоконева Е.Ю. Приемы санации почв, загрязненных тяжелыми металлами// Мелиорация и водное хозяйство. - 2013. - №3. - С.17-19

9. Цховребов B.C. Антропогенная деградация черноземов Центрального Предкавказья. - Ставрополь: СтГАУ "АГРУС", 2003. - 224 с.

УДК 550.423+504.064.2 Канд. с.-х. наук С.П. МЕЛЬНИКОВ

СОЕДИНЕНИЯ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ В УРБАНОЗЁМАХ ПУШКИНСКОГО РАЙОНА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Тяжелые металлы, почва, урбаноземы

В настоящее время проблема антропогенного загрязнения окружающей природной среды стоит очень остро. Интенсивное промышленное и сельскохозяйственное использование природных ресурсов вызвало существенные изменения биохимических циклов, а также содержание большинства химических элементов в почве, в том числе и тяжелых металлов.

Химическое загрязнение экосистемы — одна из причин возможного экологического кризиса на планете. Тяжелые металлы (ТМ) относятся к числу приоритетных загрязняющих веществ. Специфическая способность почвы поглощать поступившие из антропогенных источников металлы и распределять их между свойственными почвам компонентами имеет решающее значение в формировании экологической обстановки на планете. Исследования состава соединений металлов в почвах и механизмов их трансформации имеют более чем полувековую историю, но актуальность их растет в связи с необходимостью получения адекватной оценки сегодняшнего состояния загрязненных почв, прогноза их изменения, поиска путей их улучшения. [3]

Актуальность проблемы загрязнения окружающей среды (ТМ) значительно возрастает в крупных городах, где оно приводит к различным нарушениям в составе городских экосистем. Одной из важных проблем Пушкинского района Санкт-Петербурга становится все возрастающее загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ), которое приводит к ухудшению условий проживания городского населения и, как следствие, вызывает заболевания людей.

В связи с этим целью данной работы является проведение экотоксикологического исследования антропогенно-преобразованных почв Пушкинского района Санкт-Петербурга с оценкой уровня и степени влияния антропогенных и природных факторов на содержание тяжёлых металлов на выбранных участках, испытывающих наибольший уровень антропогенной нагрузки, под влиянием природных и антропогенных факторов.

В этой связи очень перспективно для выделения ассоциаций металлов в почвах использовать результаты парного корреляционного анализа. Методологической основой применения такого подхода является тезис о соподчиненности и согласованности содержания химических элементов в почве как закономерного результата действия почвообразовательного процесса. Также необходимо отметить, что корреляционный анализ неоднократно использовался в работе при оценке загрязнения тяжелыми металлами почв в антропогенно-загруженных районах города Пушкина.

В качестве объектов исследований выбраны 5 участков, испытывающих наибольший уровень антропогенной нагрузки под влиянием как природных, так и антропогенных факторов: Участок №1: Нижний парк (побережье Колонистского пруда) — дерново-слабоподзолистая супесчаная на водно-ледниковых песках и супесях.

Участок №2: Ул. Пушкинская — дерново-слабоподзолистая среднесуглинистая на тяжёлом моренном суглинке.

Участок №3: Новый микрорайон Санкт-Петербурга Шушары - дерново-слабоподзолистая тяжелосуглинистая на валунных суглинках.

Участок №4: Волхонское шоссе — дерново-подзолистая глееватая глинистая на валунных суглинках. Участок №5: Красносельское шоссе — дерново-слабоподзолистая среднесуглинистая на карбонатном моренном тяжёлом суглинке.

При выборе мест для мониторинговых площадок нами учитывались: способ поступления тяжелых металлов в почву (аэрогенный и гидрогенный поток), а также его интенсивность. Отбор проб почв на исследуемых территориях проводили методом конверта с учетом вертикальной структуры неоднородности покрова почвы и рельефа. Пробы отбирались по профилю из почвенных горизонтов с таким расчетом, чтобы в каждом случае проба являлась типичной для данной точки отбора. Отобранные пробы сопровождались регистрационной карточкой, в которой указывались: номер пробы, место и глубина взятия образца, дата отбора.

В пределах выбранных участков были заложены почвенные разрезы, выполнено их макроморфологическое описание, проведен отбор почвенных образцов — через каждые 10 см. Экстракция проводилась с помощью однонормальной азотной кислоты (соотношение почва — раствор 1:10, упаривание на песчаной бане). Конечное определение металлов выполняли на атомно-адсорбционном спектрофотометре AAS-30 фирмы Karl Ceis-Jena (Германия).

Полученные результаты обрабатывались математически методами вариационной статистики. Выявление ассоциаций тяжелых металлов в почвах проводилось следующим образом. Вначале, используя стандартные статистические алгоритмы, выполнялся парный корреляционный анализ содержания металлов. На основании полученных результатов выделялись ассоциации металлов, в пределах которых объединялись элементы, имеющие между собой достоверные корреляционные связи (т.е. каждый металл с каждым металлом). При общей оценке учитывалось количество металлов, объединенных в ассоциации, а также их число. Во всех расчетах был принят уровень значимости Р < 0,95. (Доспехов, 1968). Достоверность параметров уравнений множественной

регрессии проверяли дисперсионным анализом и критерием Стьюдента. Статистическую обработку результатов опытов проводили с использованием пакетов программ Microsoft Excel 6,0 и «STATISTICA 5.0».

Таким образом, можно утверждать, что выбранные нами объекты исследования, согласно своим характеристикам как загрязнителям окружающей среды, непременно заслуживают внимания.

Анализ результатов выполненных расчетов показал, что на территории Пушкинского района Санкт-Петербурга распределение тяжёлых металлов в почвах района чаще всего не подчиняются нормальному закону, содержание металлов может варьировать на 2-3 порядка, локально часто превышая ПДК в 3 - 4 раза (табл. 1).

Таблица 1. Содержание химических элементов в почвах реперных участков на территории Пушкинского района Санкт-Петербурга

Элемент Фоновое содержание в среднем по району ПДК мг/кг почвы с учетом фона

1-9

Элементы 1-го класса опасности

Hg b.c. 0.03 2.1 0.22 0.33 4.5 3.7 1.2

pb b.c. 19.11 30.0 35.7 43.8 89.6 61.4 61.0

As b.c. 1.4 2.0 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5

Zn п.ф. 15.1 23,0 9.2 < 0.01 28.7 2.5 0.7

Элементы 2-го класса опасности

Ni п.ф. 1.4 4.0 0.85 1.45 4.62 2.17 2.05

Со п.ф. 2.1 5.0 2.8 2.3 4.1 2.5 2.4

Cr (6+) b.c. 0,15 0,05 0.01 0.01 0.21 0.14 0.14

Си п.ф. 0.8 3.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

Sb b.c. 0.15 4.5 0.02 0.07 2.15 0.75 0.70

Элементы 3-го класса опасности

Мпв.с. 117.7 1000 93.4 - 345.6 121.2 120.0

Ув.с. 16.2 150 < 0.01 < 0.01 17.5 10.9 10.5

*

По имеющимся данным можно сказать, что содержание цинка в почвах района превышает ПДК; превышение ПДК по свинцу — в 3 раза. Следует отметить, что среднее содержание ртути превысило ПДК в 2,5 раза. Данные уровни не превышают среднегородские, однако слишком велики для «города-парка». Средняя величина показателя суммарного загрязнения для района (на данной стадии изученности) составляет 27 условных единицы, что соответствует умеренно-опасному загрязнению почв, обычному для окраинных районов[3].

Уровень содержания и закономерность распределения тяжёлых металлов в почвах Пушкинского района связано с их местоположением, продолжительностью существования, способом эксплуатации и положением их относительно дорог, интенсивностью движения автотранспорта, а также физико-химическими свойствами почв. Например, минимальное содержание цинка и кадмия отмечается в почвах краевых частей газонов (до 1,5-2,0 м от кромки дорожного полотна), а максимальное приходится на центральную часть. Содержание тяжёлых металлов в почвах газонов вдоль радиально расположенных автомагистралей большой протяжённости возрастает по мере приближения к городу. Вероятно, это связано с большой плотностью движения автотранспорта. Такая же закономерность наблюдается вблизи светофорных перекрёстков.

Также стоит отметить тот факт, что Пушкинский район находится на окраине Силурийского плато, в основании отложений которого находится диктионемовый сланец, содержащий повышенные концентрации урана. В районе Павловска и Пушкина этот сланец находится на небольшой глубине, а в районе реки Поповки имеются его выходы на поверхность.

По степени природного загрязнения тяжелыми металлами Пушкинский район занимает 6 место в Санкт-Петербурге, что характеризует его как относительно химически незагрязненного. В то же время следует обратить внимание на высокие уровни загрязнения территорий Пушкинских парков, особенно Александровского, в пределах которого не только велика доля опасно загрязненных

территорий, но выявлен и ореол чрезвычайно опасно загрязненных грунтов (в районе Китайского театра).

К числу основных видов загрязнения урбанозёмов Пушкинского района относится поступление тяжелых металлов. Оно осуществляется посредством их техногенного рассеивания: с газопылевыми выбросами в атмосферу при высокотемпературных технологических процессах (металлургия, обжиг цементного сырья на таких предприятиях Пушкинского района, как ЗАО «Пушкинский машиностроительный завод», ООО «Гофра-2001», ОАО «20 АРЗ), а также при сжигании минерального топлива (угля, нефти на таких предприятиях, как Пушкинская КЭЧ 1 и КЭЧ 2, ЗАО «Лентеплоснаб»).

Основная масса техногенно-рассеянных тяжелых металлов очень быстро поступает на поверхность почвы. Значительная часть их включается в почвообразовательный процесс, некоторое количество поглощается растительностью и выносится с поверхностным грунтовым стоком. В результате образуются техногенные геохимические аномалии тяжёлых металлов, характеризующиеся быстрым убыванием концентрации металлов от источника загрязнения к периферии (окраины Пушкинского района) [4].

Преобладающая часть масс металлов, закрепленных в твердых фазах почвы, представлена двумя группами соединений. Первую группу составляют ассоциации химических элементов с нерастворимыми компонентами почвенного гумуса. Ассоциации химических элементов в депонирующих средах разнообразны по составу и отличаются набором элементов. Для техногенных ассоциаций характерен более широкий спектр элементов. Это обусловлено наличием в Пушкинском районе и за его пределами различных типов источников поступления загрязнителей в почвы и донные осадки.

Следует также отметить, что ассоциации элементов в почвах существенно отличаются от элементных ассоциаций донных осадков. Возможно, это объясняется различными геохимическими условиями миграции химических элементов и специфическими особенностями источников их поступления в депонирующие среды (табл.2).

Образование этих ассоциаций обусловлено главным образом замещением металлов ионов водородом функциональных групп. При этом возникают как относительно непрочные связи, допускающие катионный обмен, так и прочные внутрикомплексные связи, обеспечивающие выведение металлов из миграционных потоков.

В ходе исследований в урбанозёмах Пушкинского района зафиксирована ассоциация 8г-Тл-Сг-Со состава. Кроме того, сходная ассоциация установлена в донных осадках водотоков Колонистского пруда. Вероятнее всего, эти элементы по речной сети выносились с поверхностными водами и накапливались в почве. Обе выявленные ассоциации обязаны своему происхождению внесением удобрений, преимущественно фосфатных, при земледельческих работах [2].

Таблица 2. Ассоциации химических элементов в пахотном горизонте почв реперных участков на территории Пушкинского района Санкт-Петербурга

Место отбора проб Ассоциации химических элементов

Почва Донный осадок

№1. Колонистский пруд Сг-Со-ГП-Яг]; 8г-(Сг-Со-Т1) Р-(гп); Сг-№

№2.Пушкинская улица Ая-Бг: ГВа-ТЛ-У

№З.Шушары Мп-[8п-Р]-РЬ-2п-[Си-№]-У-Сг-Со; [№-У] -Со-Сг-

№4. Волхонское шоссе [Р-8г]-8п^-Мп

№5. Красносельское шоссе Ва-Мп-

[№-У] - тесная ассоциация элементов, внутри комплексной ассоциации (Со) - элемент, тяготеющий к той или иной ассоциации или элементу

В основе изучения любых эколого-геохимических закономерностей геологической среды положены геохимические особенности ландшафтов, т.к. именно они определяют поведение химических элементов в почве под влиянием различных природных и антропогенных процессов. Щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия природных вод предопределяют накопление в почвах и донных осадках тех или иных элементов (табл. 3).

ТаблицаЗ. Особенности накопления и выноса ряда химических элементов наиболее урбанизированных территорий Пушкинского района [3]

Щёлочно-кислотные условия Окислительно-востановительные условия Накопление Вынос

Кислые Окислительные РЬ, N1 Сг, Со, Си, Мп. Ва Яг

Восстановительные глеевые РЬ, №. Сг, Со, Си, г п. Ми Ва, 8г, Р, 8п Аё

Нейтральные и слабощелочные Окислительные №, Си, гп, Р, Т1 8г, Ва, Со, РЬ, 8п, Сг, Ми V Аё

Восстановительные глеевые №, Си, Т1 8г, Ва, Со, 8п, Сг, Мп, Аё

Так, в окислительной и глеевой обстановках цинк, медь, никель и свинец более подвижны в кислой и слабокислой среде, менее подвижны в нейтральной и слабощелочной.

Инертными в окислительных обстановках независимо от щелочно-кислотных условий вод можно назвать марганец и кобальт (Перельман, 1975). К слабоподвижным элементам относятся 8п, Ва, Р, Т1 и Сг, хотя представление об их инертности несколько преувеличено из-за отсутствия достаточного количества фактических данных, характеризующих их роль в ландшафте.

Следует также отметить, что ассоциации элементов в почвах существенно отличаются от элементных ассоциаций донных осадков. Возможно, это объясняется различными геохимическими условиями аккумуляции и трансформации химических элементов и специфическими особенностями источников их поступления в депонирующие среды. В ходе исследований в почвах Пушкинского района, испытывающих наибольшую антропогенную нагрузку, чаще всего зафиксирована ассоциация 8г-Т1-Сг-Со состава.

Еще большие массы тяжелых металлов аккумулированы в оксидах железа. Почвенно-гипергенные оксиды, точнее гидроксиды железа, образуют группу соединений, связанных несколькими рядами последовательных взаимопереходов. Благодаря высокому кларку железа в педосфере его оксиды являются распространенным компонентом почв, а термодинамическая нестабильность некоторых представителей этой группы усиливает геохимическую мобильность железа, и без того чувствительно реагирующего на изменение рассеянных элементов, особенно для оценки мигрирующих масс тяжелых металлов.

Различные формы металлов, находящиеся в растворе, в неодинаковой мере включаются в разные потоки миграции. Растениям наиболее доступны положительно заряженные простые ионы, поступающие в корневую систему.

Растворимые формы металлов, не захваченные биологическим круговоротом, вовлекаются в водную миграцию. При этом миграционная способность растворимых органических соединений — носителей металлов — зависит от их размера и молекулярной массы.

Часть металлов связана непосредственно с глинистыми минералами. В этом случае также имеют место прочные хемосорбционные связи и связи, допускающие катионный обмен. Обменные формы тяжелых металлов, связанные как с минеральным, так и с органическим веществом, составляют незначительную часть общей массы металлов, находящихся в почве. Перераспределение масс металлов начинается с трансформации продуктов опада растительности и материалов соединений, поступающих на поверхность почвы.

Неодинаковая прочность связи металлов и различная растворимость органических соединений способствует неодинаковому возрастанию концентрации разных металлов. Остаточное обогащение наиболее характерно для свинца и никеля, концентрации, которых в подстилках возрастает по сравнению с опадом в 10 раз. Цинк и кадмий закреплены менее прочно и активно выносятся, благодаря чему их концентрация в подстилках резко возрастает более чем в 1,5-2 раза.

Таким образом, напочвенное органическое вещество играет двойственную роль. Во-первых, оно служит временным резервуаром, в который выводятся значительные массы тяжелых металлов. Во-вторых, благодаря широкому образованию органических соединений потенциальных носителей рассеянных металлов, здесь начинается перераспределение масс металлов, вовлекаемых в миграционные потоки.

Установлено, что концентрации разных металлов неодинаково распределяются по выделенным фракциям. Высокие концентрации цинка присущи низкомолекулярным фракциям, в то время как распределение концентрации меди менее четкое, хотя главный пик концентраций обычно совпадает с высокомолекулярными фракциями.

Тяжелые металлы, поступившие на поверхность почвы с опадом растительности и атмосферными осадками, в процессе преобразования растительных остатков активно связывается с органическим веществом почвы. Массы металлов частично фиксируются в гумусе, но большей частью связываются с водорастворимыми органическими соединениями и мигрируют с почвенными водами. Низкомолекулярные органические соединения, содержащие металлы, вовлекаются в транзитную миграцию, высокомолекулярные соединения задерживаются в минеральных горизонтах почвы.

Из всего вышеизложенного можно сделать следующие выводы. Загрязнение почв ТМ в основном связано с воздействием выхлопных газов. Тяжелые металлы входят в топливо в виде естественных примесей (Си, N1, Сс1, или специальных добавок (РЬ, Тлл. Мп). Причина того, что единственный процесс формирования загрязнения почв тяжелыми металлами, содержащихся в выхлопных газах, заключается в геохимической индивидуальности химических элементов. Для аэрозолей тяжелых металлов автотранспортных выбросов характерен значительный воздушный перенос, обуславливающий загрязнение придорожных почв на расстоянии 20 м от дороги.

На данный момент можно сделать заключение о высокой антропогенной нагрузке для Пушкинского района по тяжёлым металлам в урбанозёмах. Однако тенденция накопления и повышения содержания их в почвенном профиле только подчёркивает актуальность проблемы. Учитывая важность экологических функций урбанозёмов Пушкинского района, в качестве рекомендации по устранению последствий негативных процессов необходимо изолировать загрязнённые территории буферными зелёными зонами (озеленение района).

В результате исследования было установлено, что ближнее воздействие автодороги на растительность характеризуется седиментацией крупнодисперсных аэрозолей дезинтеграции, образующихся при истирании движущихся металлических (Мп, N1) и резиновых частей автомобилей и присыпками на почвы твердых металлических веществ. Загрязнение ТМ почв вызывает тревогу не только из-за возможного снижения продуктивности сельскохозяйственных культур, но и в связи с ухудшением качества продукции сельского хозяйства. Проблема осложняется тем, что растения без каких-либо визуальных признаков могут содержать опасные для человека и животных количества ТМ. Таким образом, качество почв в значительной степени определяет качество растительной продукции.

При оценке токсичности загрязнений урбанозёмов Пушкинского района рекомендуется практиковать комплексное изучение объектов: не отказываться от химического анализа загрязнённых почв и грунтов наряду с биотестированием.

Полученные результаты могут быть использованы при организации мониторинга состояния почвенного покрова индустриальных регионов. В дальнейших исследованиях считаем целесообразным проведение информационно-логического анализа, сопоставляя общее состояние биогеоценоза с геохимическим равновесием содержания металлов в их почвах.

Литература

1. Акимова Т.В. Экология. Человек-Экономика-Б йота-Среда: Учебник для студентов вузов/ Т.А.Акимова,

В.В.Хаскин; 2-е изд., перераб. и дополн,- М.:ЮНИТИ, 2009. - 556 с. (Рекомендован Минобр. РФ в качестве учебника для студентов вузов).

2. Черников В.А. Экологическая безопасная сельскохозяйственная продукция (системы получения

экологически безопасной сельскохозяйственной продукции) (интерактивный курс). - М.: РГАУ: МСХА им. К.А. Тимирязева, 2010.

3. Водяницкий Ю.Н. Изучение тяжелых металлов в почвах. - М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева,

2005.

4. Доклад об экологической ситуации в Санкт-Петербурге в 2013 году / Под редакцией И. А. Серебрицкого.

- СПб.: ООО «Единый строительный портал», 2014. - 173 с.