Особенности накопления техногенных тяжелых металлов в почвах городов Среднего и Нижнего Поволжья

Вестник Томского государственного университета. 2013. № 368. С. 189-194

УДК 502:504:577.1

М.В. Ларионов

ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ ГОРОДОВ СРЕДНЕГО И НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ

Изложены результаты мониторинга городских почв Среднего и Нижнего Поволжья. Приоритетными поллютантами городских почв являются свинец, медь и цинк, накапливающиеся в них в количествах, превышающих ПДК. Максимально подвержены полиметаллическому загрязнению города с развитой промышленностью и мощной автотранспортной нагрузкой - Саратов, Волжский, Димитровград, Кузнецк, минимально - Камышин, Сердобск, Балашов, Инза.

Ключевые слова: техногенное загрязнение; тяжелые металлы; почвы.

Главными компонентами формирующейся в условиях урбанизации экосистемы являются почвы. Почвы, в отличие от воздушной и водной сред, испытывают более сильное воздействие урбанистического прессинга, быстро поглощают из окружающей среды поллю-танты и очень медленно их трансформируют [1, 2].

Почвы в городах развиваются под воздействием тех же факторов почвообразования, что и природные почвы, но техногенный фактор здесь оказывает первоочередное влияние. Хозяйственная деятельность человеческого общества в крупных и малых городах приводит к существенному и часто необратимому изменению почвенного покрова [3, 4].

В результате градостроительного освоения территорий окружающая среда, и почвы в частности, подвергаются значительному техногенному давлению, заключающемуся в том числе в дополнительном поступлении разного рода поллютантов [4].

Приоритетными загрязнителями в городских условиях Среднего и Нижнего Поволжья являются тяжелые металлы как результат увеличения общего количества транспортных средств, постоянно расширяющейся транспортной и промышленной инфраструктуры, замусоривания значительных территорий [5]. Это обусловливает интенсивность и неоднородность почвенных загрязнений.

Цель исследований заключалась в изучении содержания тяжелых металлов техногенного происхождения в почвенном покрове городов Среднего и Нижнего Поволжья с развитой транспортной инфраструктурой и высоким уровнем промышленного производства. Работа выполнена в 2005-2011 гг.

Объекты и методы исследований. Полевые исследования почв производились методом прикопок глубиной до 20-40 см [6, 7]. Метод прикопок является практичным в городских условиях при мониторинге почвенного покрова еще и потому, что техногенные тяжелые металлы депонируются и накапливаются в основном в верхних почвенных горизонтах [7, 8].

Для закладки пробных площадей в районе исследований были выбраны участки со сформированным почвенным профилем. Пробоотборы были приурочены к относительно равновесным почвам, а не ежегодно обновляемым грунтам, с целью большей статистической достоверности и объективности результатов [8].

В каждом городе района исследований было заложено по 10 пробных площадей в зоне влияния антропогенных источников выделения химических загрязнителей и на определенном удалении от них, по основным направлениям среднегодовой розы ветров, с целью

изучения распространения предполагаемых следов загрязнителей. Пробные площади обязательно закладывались в трех главных функциональных зонах городов: промышленных, селитебных и рекреационных. Полевые исследования носили характер экспедиционных работ. Пробные площади закладывались в соответствии с общепринятыми методиками биохимических исследований почв [9-11]. Размер каждой пробной площади составил 2500 м2 (50 х 50 м2).

В качестве контрольного (фонового) района исследовались участки сохранившихся природных разнотравных степей и широколиственного леса (пойменная дубрава) Балашовского района Саратовской области с минимальной антропогенной нагрузкой, в которых заложены 4 пробные площади. Определение содержания тяжелых металлов в почвенных вытяжках осуществлялось методом пламенной спектрометрии [7].

Экологический анализ уровня опасности загрязнения городских почв комплексом тяжелых металлов проведен по суммарному показателю химического загрязнения (7С), предложенному СанПиН 4266-87 и отражающему наглядную дифференциацию химического загрязнения почвенного покрова в пределах урбанизированных территорий [12].

Суммарный показатель загрязнения почв (7С) вычислялся по наиболее распространенным тяжелым металлам, показавшим высокие концентрации в почвах района исследований, по следующей формуле [7, 8]:

^с = (Кс1 + ... + Ксп ) “ (п “ ^

где п - число определяемых суммируемых поллютантов, Ка - коэффициент концентрации /-го компонента загрязнения.

Коэффициент концентрации (Ка) поллютанта определялся как отношение фактического (среднестатистического) содержания определяемого вещества в почве (С) (в мг/кг почвы) к его региональному фоновому значению (Сф):

Кс = С, / Сф1.

Результаты и их обсуждение. Валовое содержание тяжелых металлов в почвенной среде является фактором емкости, отражающим потенциальную опасность загрязнения почв, растений, инфильтрационных и поверхностных вод.

Средневзвешенные показатели концентраций тяжелых металлов в почвенном покрове условно-фонового участка природных лесостепных и степных экосистем (пробные площади № 1-4) свидетельствуют об их высокой аккумулирующей способности (табл. 1).

Полученные и статистически обработанные результаты лабораторного анализа образцов природных почв из контрольных пробных площадей позволили установить следующий ряд тяжелых металлов: Мп > 7п > Си > РЬ.

Средневзвешенные показатели концентраций тяжелых металлов в почвенном покрове г. Балашова свидетельствуют об их высокой аккумулирующей способности. Содержание этих поллютантов (исключение - N1) превышает региональный фон, у 7п и Си содержание в почвах выше установленных для них ПДК (табл. 2).

Элементный состав тяжелых металлов в почвах города представляет следующий ряд поллютантов, оказывающих максимальное техногенное воздействие на санитарно-экологическое качество почв: Мп >7п> Си > рЬ > N1.

На территории г. Саратова выявлены высокие концентрации тяжелых металлов в почвах, значительно превышающие их фоновые значения (исключение -N1). У 6 элементов (РЬ, 7п, Мп, Си, И§, Са) концентрации выше предельно допустимых значений (табл. 3).

Т а б л и ц а 1

Средневзвешенное содержание тяжелых металлов в естественных ненарушенных почвах в контроле

Значение М±т на ПП № 1-4, мг/кг воздушно-сухой почвы

РЬ 2п Мп Си

М±т 25,4±1,1 49,9±1,5 651,6±26,3 29,6±0,82

Фон 11,2 34,0 688,6 22,0

ПДК 32,0 55,0 1500,0 33,0

Примечание. Курсивом выделено значение М±т, превышающее региональный фон.

Т а б л и ц а 2

Средневзвешенное содержание тяжелых металлов в почвах г. Балашова Саратовской области

Значение М±т на ПП № 1-10, мг/кг воздушно-сухой почвы

РЬ 2п Мп N1 Си

М±т 31,1±1,2 76,9±2,5 1181,0±26,4 17,5±0,68 53,9±1,6

Фон 11,2 34,0 688,6 28,2 22,0

ПДК 32,0 55,0 1500,0 20,0 33,0

Примечание. Курсивом выделено значение М±т, превышающее региональный фон; жирным шрифтом выделено значение М±т, превышающее установленный гигиенический норматив (ПДК).

Т а б л и ц а 3

Средневзвешенное содержание тяжелых металлов в почвах г. Саратова

Значение М±т на ПП № 1-10, мг/кг воздушно-сухой почвы

РЬ 2п Мп N1 Си Со Са

М±т 112,0±4,5 187,8±6,6 2097,0±53,9 19,0±0,80 91,6±2,4 4,6±0,20 41,8±1,2 4,1±0,11

Фон 11,2 34,0 688,6 28,2 22,0 0,39 11,2 0,40

ПДК 32,0 55,0 1500,0 20,0 33,0 2,1 50,0* 2,0*

Примечание. Курсивом выделено значение М±т, превышающее региональный фон; жирным шрифтом выделено значение М±т, превышающее установленный гигиенический норматив (ПДК/ОДК); * ОДК.

Элементный состав тяжелых металлов в почвах г. Саратова выглядит следующим образом: Мп > 7п > РЬ > Си > Со > N1 > ^ > С^

В почвенной среде г. Саратова в период исследований отмечен высокий рост концентраций тяжелых металлов как на участках относительно сохранившегося естественного покрова, так и в техногенных грунтах. Это связано с увеличением числа автотранспортных средств и восстановлением прежних мощностей промышленных предприятий.

На территории г. Сердобска происходит значительное антропогенное рассеивание тяжелых металлов, средневзвешенное содержание которых превышает региональный фон: в 1,7 раза - по V, в 2,4 раза - по РЬ, в 1,6 раза - по 7п и в 3,9 раза - по Со (табл. 4). По 7п также отмечено незначительное превышение ПДК.

Таким образом, элементный состав почвенной среды г. Сердобска имеет следующий вид: V > 7п >

Со > РЬ.

Средневзвешенное содержание тяжелых металлов в почвах г. Кузнецка является достаточно высоким: концентрации большинства металлов выше фоновых величин (кроме Ре и БЬ, у БЬ фоновый показатель не определен), что отражено в табл. 5.

БЬ, РЬ, 7п и Со накапливаются в почвенном покрове г. Кузнецка в количествах, превосходящих установленные гигиенические нормативы для почв населенных мест: БЬ - 1,3 ПДК, рЬ - 1,5 ПДК и Со -2,0 ОДК.

Элементный состав тяжелых металлов в почвенном покрове г. Кузнецка выглядит следующим образом:

Ре > Сг > 7п > Со > РЬ > БЬ.

Т а б л и ц а 4

Средневзвешенное содержание тяжелых металлов в почвах г. Сердобска Пензенской области

Значение М±т на ПП № 1-10, мг/кг воздушно-сухой почвы

V РЬ 2п Со

М±т 134,6±4,5 27,1±0,7 55,0±1,2 43,9±1,3

Фон 77,4 11,2 34,0 11,2

ПДК 150,0 32,0 55,0 50,0*

Примечание. Курсивом выделено значение М±т, превышающее региональный фон; жирным шрифтом выделено значение М±т, превышающее установленный гигиенический норматив (ПДК); * ОДК.

Средневзвешенное содержание тяжелых металлов в почвах г. Кузнецка Пензенской области

Значение М±т на ПП № 1-10, мг/кг воздушно-сухой почвы

БЬ Ре РЬ 2п Сг Со

М±т 5,98±0,20 33193,1±669,2 49,1±1,5 108,8±1,5 118,1±1,6 101,7±1,5

Фон - 33591,9 11,2 34,0 96,9 11,2

ПДК 4,5 - 32,0 55,0 - 50,0*

Примечание. Курсивом выделено значение М±т, превышающее региональный фон; жирным шрифтом выделено значение М±т, превышающее установленный гигиенический норматив (ПДК/ОДК); * ОДК.

Высокие средневзвешенные показатели содержания тяжелых металлов (РЬ - 1,5 ПДК, 7п - 1,6 ПДК, Си -1,9 ПДК) в почвах г. Камышина указывают на то, что они интенсивно деградируют (табл. 6).

Результаты, представленные в табл. 6, позволили составить следующий возрастающий ряд тяжелых ме-

таллов, загрязняющих почвенный покров г. Камышина:

7п > Си > Рь > БЬ > Са.

При вычислении средневзвешенных показателей концентраций тяжелых металлов в почвенной среде г. Волжского получены результаты, представленные в табл. 7.

Т а б л и ц а 6

Средневзвешенное содержание тяжелых металлов в почвах г. Камышина Волгоградской области

Значение М±т на ПП № 1-10, мг/кг воздушно-сухой почвы

РЬ 2п Са БЬ Си

М±т 47,3±1,2 86,8±1,6 1,8±0,06 3,6±0,14 62,8±1,3

Фон 11,2 34,0 0,4 - 22,0

ПДК 32,0 55,0 2,0* 4,5 33,0

Примечание. Курсивом выделено значение М±т, превышающее региональный фон; жирным шрифтом выделено значение М±т, превышающее установленный гигиенический норматив (ПДК); * ОДК.

Т а б л и ц а 7

Средневзвешенное содержание тяжелых металлов в почвах г. Волжского Волгоградской области

Значение М±т на ПП № 1-10, мг/кг воздушно-сухой почвы

РЬ 2п БЬ N1 Си Не Са

М±т 134,3±2,1 193,5±2,5 3,3±0,08 27,3±1,2 110,5±2,3 2,7±0,06 3,6±0,11

Фон 11,2 76,8 - 28,2 45,3 0,39 0,40

ПДК 32,0 55,0 4,5 20,0 33,0 2,1 2,0*

Примечание. Курсивом выделено значение М±т, превышающее региональный фон; жирным шрифтом выделено значение М±т, превышающее установленный гигиенический норматив (ПДК/ОДК); * ОДК.

Максимально загрязнены почвы города металлами РЬ, 7п, N1, Си, ^ и Са. Концентрации этих поллютан-тов превышают установленные гигиенические нормативы: у РЬ - 4,2 ПДК, у 7п - 3,5 ПДК, у N1 - 1,4 ПДК, у Си - 3,3 ПДК, у ^ - 1,3 ПДК и у Са - 1,8 ПДК. Таким образом, максимально аккумулируются в почвах г. Волжского РЬ, 7п и Си, которые являются приоритетными загрязнителями почв в данном урбанизированном районе.

Тяжелые металлы в почвенном покрове г. Волжского образуют следующую последовательность: 7п > РЬ

> Си > N1 > Са > Бь > Не.

Техногенное загрязнение почвенной среды г. Инзы обусловлено высокими концентрациями V, РЬ, 7п и Сг. В целом по городу выявлено высокое содержание тяжелых металлов в почвенном покрове (табл. 8).

Наибольшее загрязняющее влияние оказывают V (1,1 ПДК) и 7п (1,7 ПДК). Все четыре металла депонируются в городских почвах в концентрациях выше их фоновых значений. Техногенные тяжелые металлы в почвах г. Инзы образуют следующий состав: Сг > V > 7п > РЬ.

Средневзвешенные показатели содержания тяжелых металлов в почвах г. Димитровграда являются достаточно высокими (табл. 9).

Т а б л и ц а 8

Средневзвешенное содержание тяжелых металлов в почвах г. Инзы Ульяновской области

Значение М±т на ПП № 1-10, мг/кг воздушно-сухой почвы

V РЬ 2п Сг

М±т 171,7±1,9 30,2±1,1 93,6±1,4 202,8±2,6

Фон 77,4 11,2 34,0 96,9

ПДК 150,0 32,0 55,0 -

Примечание. Курсивом выделено значение М±т, превышающее региональный фон; жирным шрифтом выделено значение М±т, превышающее установленный гигиенический норматив (ПДК).

Т а б л и ц а 9

Средневзвешенное содержание тяжелых металлов в почвах г. Димитровграда Ульяновской области

Значение М±т на ПП № 1-10, мг/кг воздушно-сухой почвы

V РЬ 2п N1 Си Сг

М±т 212,5±3,4 141,8±2,9 129,9±3,2 16,9±0,78 170,5±3,3 247,4±5,8

Фон 77,4 11,2 34,0 28,2 22,0 96,9

ПДК 150,0 32,0 55,0 20,0 33,0 -

Примечание. Курсивом выделено значение М±т, превышающее региональный фон; жирным шрифтом выделено значение М±т, превышающее установленный гигиенический норматив (ПДК).

Большинство металлов, за исключением N1, аккумулируются в верхних почвенных горизонтах в количествах, превышающих их фоновые значения. V, РЬ, 7п и Си превышают ПДК в 1,4, 4,4, 2,4 и 5,2 раза соответственно.

Элементный состав тяжелых металлов почв г. Ди-митровграда имеет следующий вид: Сг > V > Си > РЬ > 7п > N1.

Таким образом, почвы урбанизированных районов Среднего и Нижнего Поволжья значительно загрязнены тяжелыми металлами техногенного происхождения. Приоритетными поллютантами, активно аккумулирующимися в городских почвах в повышенных концентрациях, являются свинец, медь и цинк (рис. 1).

Ниже, чем в контроле, концентрации свинца выявлены в гг. Балашове (Саратовская область), Сердобске (Пензенская область) и Инзе (Ульяновская область). Во всех этих городах среднестатистическое содержание

свинца в почвах не превышало ПДК. В остальных городах содержание свинца превышало контрольный показатель и ПДК. Максимальные концентрации свинца приходятся на гг. Саратов, Волжский, Димитровград.

Меньшие, чем в контроле, следовые концентрации меди обнаружены в гг. Балашове, Сердобске, Кузнецке, Инзе. В других урбанизированных районах концентрации меди значительно превосходили контрольный показатель. Максимум аккумулированной в почвенной среде меди пришлось на гг. Димитровград, Волжский, Саратов.

Высокие концентрации (> ПДК) цинка выявлены во всех исследованных городах. Лишь в г. Сердобске цинк накапливается в меньших в сравнении с контролем количествах. Наибольшие концентрации цинка зарегистрированы в гг. Волжском, Саратове и Димит-ровграде.

мг/кг

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

ч'ч ^

«Г С? ^

V* V С* ^

V

V 4?'

^ #

V

V

V

Рис. 1. Содержание свинца, меди и цинка в почвах, дифференцированно по городам Среднего и Нижнего Поволжья

В табл. 10 представлена сравнительная характеристика экологического состояния почв в исследованных урбанизированных районах.

Данные табл. 10 свидетельствуют о допустимом уровне (7С < 16) техногенного химического загрязнения относительно сохранившихся природных почв в исследованных урбанизированных районах. Минимальная величина суммарного показателя техногенного загрязнения участков природных почв установлена в г. Балашове (7С = 4,0), максимальная - в гг. Саратове (7С = 14,6), Димитровграде (7С = 10,6) и Волжском (7С = 10,2). Вычисленные значения суммарного показателя загрязнения техногенно измененных почв дифференцированно по исследованным городам сильно варьируют. Допустимый уровень загрязнения техногенно измененных почв установлен в гг. Сердобске (7С = 7,7), Балашове (7С = 7,8), Инзе (7С = 8,1) и Камышине (7С = 14,3). Техногенно измененные почвы г. Кузнецка характеризуются умеренно опасным уровнем загрязнения (7С = 23,0). В крупнейших из исследованных горо-

дов - Саратове (7С = 67,4), Волжском (7С = 58,3), Димитровграде (7С = 33,0) - техногенные грунты загрязнены максимально, в отличие от г. Балашова и других урбанизированных территорий, и соответствуют опасному критерию химического загрязнения.

Общей закономерностью содержания тяжелых металлов как важнейших поллютантов почвенной среды в городах района исследований является регрессионноаккумулятивное накопление в почвенной толще, главным образом в органогенных горизонтах. Максимальные количества тяжелых металлов отмечены в верхних, органогенных горизонтах городских почв района исследований. Вниз по почвенному профилю происходит значительное снижение концентраций тяжелых металлов. Их накоплению в почвах способствуют глинистые минералы и органическое вещество.

По результатам мониторинга почв на пробных площадях, заложенных в разных функциональных зонах городов, вычислены соответствующие суммарные показатели загрязнения почв тяжелыми ме-

таллами. Определены уровни полиметаллического нальных зон в каждом исследованном городе загрязнения почвенного покрова основных функцио- (табл. 11).

Т а б л и ц а 10

Экологический анализ состояния городских почв по суммарному показателю загрязнения, дифференцированно

по урбанизированным районам

Город Средневзвешенная величина Ъс Уровень загрязнения почв

Естественные ненарушенные почвы

Балашов 4,0 Допустимый

Саратов 14,6 Допустимый

Сердобск 5,9 Допустимый

Кузнецк 6,9 Допустимый

Камышин 7,9 Допустимый

Волжский 10,2 Допустимый

Инза 5,5 Допустимый

Димитровград 10,6 Допустимый

Техногенно преобразованные почвы

Балашов 7,8 Допустимый

Саратов 67,4 Опасный

Сердобск 7,7 Допустимый

Кузнецк 23,0 Умеренно опасный

Камышин 14,3 Допустимый

Волжский 58,3 Опасный

Инза 8,1 Допустимый

Димитровград 33,0 Опасный

Т а б л и ц а 11

Экологическое районирование урбанизированных территорий по суммарному показателю загрязнения, дифференцированно по основным функциональным зонам

Функциональная зона города Величина Ъс Уровень загрязнения почв

г. Балашов

Промышл. зона 14,5 Допустимый

Селитебная зона 5,8 Допустимый

Рекреац.зона 4,1 Допустимый

г. Саратов

Промышл. зона 93,4 Опасный

Селитебная зона 69,3 Опасный

Рекреац.зона 39,5 Опасный

г. Сердобск

Промышл. зона 12,7 Допустимый

Селитебная зона 6,9 Допустимый

Рекреац.зона 3,4 Допустимый

г. Кузнецк

Промышл. зона 43,5 Опасный

Селитебная зона 15,5 Допустимый

Рекреац.зона 9,9 Допустимый

г. Камышин

Промышл. зона 20,2 Уумеренно опасный

Селитебная зона 14,4 Допустимый

Рекреац.зона 8,3 Допустимый

г. Волжский

Промышл. зона 73,6 Опасный

Селитебная зона 38,4 Опасный

Рекреац.зона 19,3 Умеренно опасный

г. Инза

Промышл. зона 11,2 Допустимый

Селитебная зона 7,1 Допустимый

Рекреац.зона 4,7 Допустимый

г. Димитровград

Промышл. зона 52,4 Опасный

Селитебная зона 19,8 Умеренно опасный

Рекреац.зона 12,5 Допустимый

Почвенный покров всех функциональных зон (промышленной, селитебной и рекреационной) в большей степени подвержен полиметаллическому загрязнению в городах с развитой промышленностью и мощной автотранспортной нагрузкой - Саратове, Волжском, Димит-ровграде, Кузнецке, в меньшей степени - в гг. Камы-

шине, Сердобске, Балашове и Инзе. В промзонах района исследования на окружающую среду осуществляется комбинированное загрязняющее воздействие промышленных объектов и автотранспорта. В селитебных и рекреационных зонах доминирующее техногенное загрязняющее воздействие оказывает автотранспорт.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ревич Б А, Сает ЮЕ. и др. Геохимическая оценка загрязнения территорий городов химическими элементами. М., 1982. 112 с.

2. Трофимова ТА. Применение посевов горчицы сарептской в целях фиторемидиации техногенно загрязненных тяжелыми металлами светло-

каштановых почв южной пригородной агропромзоны г. Волгограда : автореф. дис. ... канд. сельскохоз. наук. Волгоград, 2009. 26 с.

3. Джирард ДЕ. Основы химии окружающей среды / пер. с англ. В.И. Горшкова ; под ред. В.А. Иванова. М. : Физматлит, 2008. 640 с.

4. Добровольский В.В, Савельева ЛЕ. Автотранспортное загрязнение свинцом окружающей среды за рубежом // Геохимия техногенного пре-

образования ландшафтов. М., 1978. С. 6-20.

5. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2009 году». М. : Центр международных

проектов, 2010.523 с.

6. Лукашев В К, Симуткина ТН. Особенности распределения и формы соединений микроэлементов в почвах крупного промышленного горо-

да // Почвоведение. 1984. № 4. С. 43-52.

7. Федорец Н.Г., Медведева М.В. Методика исследования почв урбанизированных территорий. Петрозаводск : Карельский научный центр РАН,

2009. 84 с.

8. Методические указания по оценке городских почв при разработке градостроительной и архитектурно-строительной документации. М., 2003.

24 с.

9. Bowen H.J.M. Trace elements in biochemistry. New York ; London : Academle Press, 1966. 241 p.

10. Алексеенко В А. Геохимия ландшафта и окружающая среда. М. : Недра, 1990. 142 с.

11. ГлазовскаяМА. Геохимические основы и методики исследования природных ландшафтов. М. : МГУ, 1964. 230 с.

12. СанПиН 4266-87. Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами. М. : Минздрав СССР, 1987. 21 с.

Статья представлена научной редакцией «Биология» 1 июня 2012 г.