Экологогеохимическая характеристика загрязнения городских почв тяжёлыми металлами и нефтепродуктами

Эколого-геохимическая характеристика загрязнения городских почв тяжёлыми металлами и нефтепродуктами

С.А. Дубровская, к.г.н., Институт степи УрО РАН

Цель и методика исследований. Наиболее характерным и экологически значимым процессом антропогенного преобразования почв Орско-Новотроицкого промузла является их химическое загрязнение, прежде всего тяжёлыми металлами (ТМ) и нефтепродуктами, которое проявляется уже на стадии морфологического описания разрезов и охватывает в той или иной степени практически всю территорию в пределах городской черты. Городская почва — с экологической точки зрения депонирующая среда, аккумулирующая техногенные загрязнения за многолетний период. Загрязнение городских почв ТМ и органическими веществами влияет на весь комплекс морфологических, физико-химических и биологических свойств почвы, определяющих её плодородные и экологические функции. При разливе нефтепродуктов на почвы в значительной степени оказывает влияние большая группа органических соединений техногенного происхождения, среди которых выделяются по экологической опасности и масштабам распространения сложные углеводородные смеси (нефти, нефтепродукты, включая полициклические ароматические углеводороды) и их высокомолекулярные производные — смолисто-асфальтеновые вещества. Данные смеси способны достаточно длительное время накапливаться на барьерах и циркулировать в техногеосистемах, приводя к изменению агрофизических и агрохимических составляющих почв и других компонентов ландшафта.

Для детального изучения изменения вышеуказанных свойств почвенного покрова под воздействием углеводородов заложен почвенный разрез — интрузем среднемощный на скальпированном профиле чернозёма южного карбонатного, подстилаемого плиоценовыми глинами древних кор выветривания на участке, подвергающемся длительному непрерывному загрязнению (разрез № 9-03, бывший пос. Октябрьский, северная окраина г. Орска). Исследованиями, проводимыми на участке ОАО «Орскнефтеоргсинтез», установлено почти повсеместное превышение фонового содержания углеводородов (5 мг/м3) в почвенном воздухе в 2—360 раз [1]. Вследствие низкой организации производства и оборудования, которое не удовлетворяет экологическим требованиям, в районе предприятия сформировалась техногенная искусственная область залежи нефтепродуктов, повысился уровень грунтовых

вод и произошёл выход нефти на поверхность, которая затопила погреба и подвалы жилых домов пос. Октябрьский. Здесь сложилась экстремальная экологическая обстановка с высоким уровнем загрязнения почв нефтепродуктами и тяжёлыми металлами. Эту территорию относят к зоне экологического бедствия.

Проведённые нами изыскания были направлены на получение сведений об экологическом состоянии городских почв Орско-Новотроицкого промузла. В качестве объектов изучения была выбрана группа ТМ — Си, /п, Со, Мп, N1, РЬ, Сё, Сг. 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 [2]. Для сравнительной характеристики были привлечены материалы из «Красной книги почв Оренбургской области» [3] — фактические данные по эталонным разрезам и книги «Почвы степного Зауралья: ландшафтно-генетическая и экологическая оценка» [4] — разрезы с разным уровнем антропогенной нагрузки (целинные, пастбищные, пашни).

В настоящее время возможно использование двух вариантов оценки загрязнения городских почв ТМ — по отношению к существующим сегодня экологическим нормативам (ПДК) или по отношению к природной норме — региональному геохимическому фону. Методологической основой почвенно-геохимических исследований и формирования сети эколого-геохимического мониторинга является определение местного (регионального) геохимического фона по основным типам почв. Для определения фоновых показателей почв степной зоны Южного Урала используются величины минимального лимита среднеарифметического значения концентрации химических элементов. Исходными данными для вычисления фонов послужили результаты эколого-геохимических исследований почв-эталонов [3, 5].

Результаты исследований. В качестве исходного материала использованы аналитические данные по десяти почвенным разрезам и девяти прикопкам. Результаты определения математических показателей исследуемых выборок, подтверждающих особенности распреде-

ления тяжёлых металлов, приведены в таблице. Для меди, марганца, никеля, цинка, свинца и кобальта характерно наибольшее увеличение средних значений (М), степени варьирования концентраций (Хтах — Хт1п) и, как следствие, увеличение среднего квадратного отклонения (о), коэффициента вариации (V) и ошибки среднего арифметического (т).

В меньшей степени антропогенное воздействие отразилось на статистических параметрах распределения хрома. Для хрома и кадмия статистические параметры в урбанозёмах оказались сопоставимыми по абсолютным величинам с фоновыми значениями, а в некоторых случаях они свидетельствуют об их рассеивании и уменьшении варьирования. Высокий уровень накопления ТМ наблюдается в верхних горизонтах городских почв. Так, встречаются разрезы, в которых концентрация того или иного металла значительно превосходит средние значения. Например, чернозём южный маломощный щебнева-тый тяжёлосуглинистый на элювии плотных пород — высокое содержание по цинку (40,0 мг/кг) и никелю (126,1 мг/кг), чернозём южный маломощный поверхностно-ометалливающийся — по свинцу (10,23 мг/кг), цинку (36,45 мг/кг) и кадмию (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.

Почвенный покров территорий характеризуют хроническим, старым возрастом загрязнения, при котором формирование нефтяного профиля и всей почвенной толщи происходило в условиях многократного поступления неф-тезагрязнённых стоков и отходов не только с поверхности, но и сбоку с внутрипочвенным стоком, а также снизу от загрязнённых нефтью грунтовых вод. На территории, примыкающей к ОАО «Орскнефтеоргсинтез», за много лет его эксплуатации загрязнение почвы и всей зоны аэрации нефтью и нефтепродуктами достигло уровня, позволяющего говорить о формировании техногенного месторождения углеводородов.

Одним из наиболее характерных процессов преобразования почв в условиях нефтяного загрязнения является их засоление (техногенный галогенез), которое достаточно чётко проявляется даже на фоне широкого развития на исследованных территориях засоленных почв естественного генезиса. Во всех изученных разрезах, расположенных в разных ландшафтногеохимических позициях, концентрация солей в нефтезагрязнённых горизонтах превышала 0,4%, достигая в отдельных случаях 1,1—1,5%, что даёт основание отнести все эти почвы к техногенным битуминозным солончаковатым почвам. Новообразованные солевые профили таких почв очень разнообразны как по составу и концентрации солей, так и по характеру их распределения (в составе солей доминируют

Вариационно-статистические показатели содержания подвижных форм ТМ (мг/кг) в почвах Орско-Новотроицкого промузла

Металл Статистический показатель Фоновый показатель

М Х X -^-шіп -^-шах а V ш

Естественные

Си 0,88 0,08-10,88 1,98 4,04 3,81 0,53

7п 6,22 0,36-40,0 10,02 20,45 9,78 1,58

Со 0,51 0,09-4,71 0,86 1,76 1,53 0,05

Мп 29,89 0,77-84,30 21,90 44,69 5,58 0,12

N1 11,58 0,34-149,9 32,33 65,98 16,99 1,77

РЬ 2,38 0,01-10,23 2,75 5,61 2,76 2,56

са 0,21 0,02-1,19 0,23 0,47 1,31 0,21

Сг 0,88 0,10-2,46 0,92 1,88 1,43 1,79

Антропогенно-глубокопреобразованные почвы

Си 9,43 0,12-84,0 5,49 58,22 1,33 0,53

7п 8,95 0,36-50,02 3,20 35,76 0,78 1,58

Со 0,35 0,10-1,22 0,09 25,93 0,02 0,05

Мп 102,68 12,81-325,60 31,13 30,72 7,55 0,12

N1 3,65 0,88-10,01 0,69 19,06 0,17 1,77

РЬ 2,07 0,06-4,15 0,31 14,89 0,07 2,56

са 0,11 0,03-0,20 0,02 14,61 0,004 0,21

Сг 0,52 0,09-1,59 0,08 15,74 0,10 1,79

хлориды и сульфаты). Увеличение содержания водорастворимых солей в нефтезагрязнённых почвах сопровождается глубокой трансформацией всего комплекса биогеохимических процессов в почвах и по своим негативным экологическим последствиям зачастую превышает влияние собственно нефтяного загрязнения. В первую очередь резко нарушается динамическое равновесие в системе почвенный раствор — поглощающий комплекс — щелочно-кислотные условия, что приводит к существенному изменению физических, водно-физических, морфологических и других свойств.

При изучении содержания ТМ в городских почвах не выявлена ясно выраженная, стати -стически достоверная связь их техногенного накопления с нефтяным загрязнением. Видимо, в условиях урбопедогенеза эта тенденция в значительной степени перекрывается влиянием других более мощных источников загрязнения. Так, например, в разрезе 9-03 содержание N1 и Со в поверхностном горизонте ШрИаГу^Т в 10 и 3 раза соответственно превышает фоновые значения, что прежде всего связано с выбросами комбината «Южуралникель», расположенного в 1 км восточнее разреза. Загрязнение почвенного покрова нефтью и нефтепродуктами является одним из ведущих типов деградации земель. В результате значительные площади городских территорий и районов нефтегазодобычи превратились в ландшафты нефтяных бедлендов.

Выводы и рекомендации. Спектр загрязнения почв Орско-Новотроицкого промузла продуктами техногенеза достаточно разнообразен, отражает разнопрофильный состав промышленного производства с преобладанием предприятий металлургического цикла. Отмечаются высокие концентрации меди, никеля, хрома, кобальта и цинка, который имеет высокую степень вариабельности абсолютных показателей. Для более объективной оценки экологических последствий загрязнения почвенного покрова ТМ необходимо:

— проанализировать в комплексе функциональное назначение почв, которое определяется характером землепользования;

— произвести нормирование загрязняющих веществ в городских почвах с учётом меры потенциальной опасности промышленных концентраций, оценку их риска для здоровья населения и окружающей среды;

— разработать специальные нормативы для городских почв, которые будут отличаться от установленных ПДК загрязняющих веществ для сельскохозяйственных угодий;

— разработать и ввести диапазоны приемлемых концентраций ТМ для городских почв; количественные показатели отдельных металлов увеличить при переходе от территорий повышенного экологического риска воздействия загрязнённой почвы на здоровье человека (детские дошкольные и школьные учреждения, индивидуальные садово-дачные массивы, санитарнооздоровительные зоны и др.) к территориям промышленного производства с учётом времени (длительности) воздействия техногенных веществ.

Комплексное геоэкологическое изучение закономерностей трансформации почв в условиях нефтяного загрязнения должно стать научной основой разработки системы их экологического мониторинга и эффективных методов рекультивации и мелиорации.

Литература

1. Гопко В.Ф. Оценка экологической обстановки на территории г. Орска с целью классификации территории по степени экологического неблагополучия / Комитет архитектуры и градостроительства г. Орска. Екатеринбург, 1997. 128 с.

2. Плеханова И.О. Содержание тяжёлых металлов в почвах парков г. Москвы // Почвоведение. 2000. № 5. С. 754—759.

3. Красная книга почв Оренбургской области / А.И. Климентьев, А.А. Чибилев, Е.В. Блохин, И.В. Грошев. Екатеринбург: УрО РАН, 2001. 296 с.

4. Климентьев А.И. Почвы степного Зауралья: ландшафтногенетическая и экологическая оценка. Екатеринбург: УрО РАН, 2000. 434 с.

5. Почвенный локальный мониторинг земель // Отчёт по разработке и обоснованию шкал, фонов, критериев, градаций, обобщающих коэффициентов для систематизации данных, подлежащих мониторингу почв на содержание ТМ по Оренбургской области. Ч. 2 и 3. Оренбург, 1996. 118 с.