СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЫ ХИМИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
METHOD OF DETERMINING SOIL CONTAMINATION WITH CHEMICAL ELEMENTS

Изобретение относится к промышленной экологии, сельскому хозяйству, промышленному и гражданскому строительству и может быть использовано для оценки химического загрязнения почв.
Обострение проблем взаимодействия общества и природы обусловило необходимость разработки и осуществления в разных регионах мира комплексных многолетних наблюдений за последствиями воздействия человека на естественные процессы в биосфере. Мониторинг - это система наблюдений и контроля за состоянием окружающей человека природной среды с целью разработки мероприятий по ее охране и предупреждению критических ситуаций, вредных или опасных для здоровья людей, оценка состояния среды и прогнозирование ее изменений.
Одной из важнейших проблем настоящего времени является все возрастающее загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, которое представляет опасность для живых организмов и, в первую очередь, для человека Тяжелые металлы, входящие в состав органических и неорганических выбросов промышленных предприятий и автотранспорта, в атмосферный воздух поступают на подстилающую поверхность с сухими и мокрыми выпадениями в течение всего года и могут накапливаться на ней. Однако при существующих потоках ежегодные приращения содержания тяжелых металлов в верхнем слое почв очень невелики. С учетом современного содержания тяжелых металлов в почвах статистически значимое увеличение содержания тяжелых металлов в них можно будет зафиксировать лишь через несколько десятков лет.
Изучение экологических ситуаций с привлечением памятников археологии имеет богатую историографическую традицию. Одним из первых, кто изучал почвы археологических памятников в сравнении с современной окружающей средой, был знаменитый русский почвовед В.В.Докучаев. В 1883 году вышел труд Докучаева «Русский чернозем», получивший мировую известность. За прошедшие 120 лет в изучении окружающей среды по почвам сформировалось целое направление в науке, именуемое как «археологическое почвоведение» (Александровский А.Л. Борисов А.В., Васильева Д.И., Геннадиев А.Н., Демкин В.А., Демкина Т.С. Дергачева М.И., Губин С.В. Иванов И.В. Кременецкий К.И., Рысков Я.Г., Хохлова О.С., Rosen A.M. и другие). Однако исследования в русле данного научного направления ограничиваются реконструкцией процесса изменения климата в прошлом, исследования процессов почвообразования, изучением соотношений между почвенными и геологическими процессами, реконструкции зависимости жизнедеятельности древнего человека от условий окружающей среды. Нигде в этих исследованиях не изучается соотношение химических характеристик древних почв в сравнении с современными почвами, подверженными современному техногенному влиянию.
В последние годы (20-30 лет) наметился определенный интерес к изучению курганов в связи с современной природно-климатической ситуацией в Поволжском регионе. Изучению подкурганных почв посвящены работы Иванова И.В. и Демкина В.А. (Иванов И.В. - 1978, 1979, 1984, 1989; 1992, 1994; Демкин В.А. - 1985, 1986, 1993). С 1995 года Комитетом по экологии и природным ресурсам Самарской области проводятся исследования содержания и поведения тяжелых металлов в почвах Самарского Поволжья. Группой ученых археологов и почвоведов (Кузнецов П.Ф., Дергачева М.И., Иванов В.И, Карпова Е.А. Взаимодействие человека и природы на границе Европы и Азии. Материалы международной конференции. Самара, 1996, с.124-126) получен достаточный объем информации об экологии региона в древности, позволяющий выявить динамику естественного накопления, например, солей тяжелых металлов и очертить районы с их повышенным содержанием.
В настоящее время при характеристике степени загрязнения конкретных территорий сопоставляют загрязненные и эталонные почвы. В качестве эталонных (фоновых) почв обычно используют почвы, удаленные от места загрязнения на 50-100 км, или почвы заповедников (Словарь-справочник. "Химическое загрязнение почв и их охрана", Д.С.Орлов и др. Агропромиздат, 1991, с.303). Но уверенность в качестве эталонов (фоновых почв) всегда вызывает сомнение, так как рассеивание химических элементов носит глобальный характер и может вносить существенную ошибку.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по технической сущности и достигаемому при использовании полезной модели техническому результату является способ определения степени загрязнения почв через коэффициент аккумуляции (Патент РФ №2084891, МПК G01N 33/24, опубл. 20.07.1997). Его особенность заключается в том, что высчитывается коэффициент аккумуляции через соотношение химических элементов в пахотном слое и в почвообразующей породе (горизонт С). Недостатком этого способа является то, что он может применяться лишь для территорий, подвергаемых регулярной распашке. Для нераспахиваемых территорий, для пойменных почв и для неиспользуемых в настоящее время полей этот метод неприменим. Ограничением метода является и то обстоятельство, что с его помощью возможно определить степень загрязненности лишь для пашни на глубину до 30 см.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение возможности оценки состояния окружающей среды в пределах как локального, так и значительного по площади региона при одновременном снижении трудозатрат.
Задача, положенная в основу настоящего изобретения, с достижением заявленного технического результата, решается тем, что в способе определения загрязнения почвы химическими элементами, включающем отбор почвенных образцов и определение содержания валовых форм химических элементов на исследуемом участке и на фоновой территории, их сопоставление, в качестве фоновой территории используют погребенные почвы под археологическими памятниками, находящимися на исследуемом участке.
В археологии достаточно давно применяется понятие «погребенная почва». Это почва, которая изолирована от современного антропогенного воздействия деятельностью человека в древности и в средние века. Искусственные насыпи курганов изолировали древнюю почву, так называемую «дневную поверхность» - поверхность земли, по которой ходили люди несколько сот или даже тысяч лет назад. Искусственные рвы и валы средневековых крепостей законсервировали древнюю поверхность. Даже культурные слои древних поселений сохраняют почвенные горизонты от современных влияний. В результате под сооружениями памятников археологии концентрируется и сохраняется информация о естественном химическом составе и естественном фоновом уровне радиации конкретных территорий до антропогенного влияния современного человека.
Использование погребенных почв под археологическими памятниками в качестве фоновой территории упрощает исследования по определению загрязненности почв, сокращает время при пробоподготовке и анализе в сравнении с прототипом за счет использования информации, полученной в процессе археологических исследований.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, идентичных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявляемого изобретения критерию охраноспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в промышленной экологии и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявляемого способа, показали, что в общедоступных источниках информации не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками. Результаты поиска также показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлены технические решения, содержащие в совокупности признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
Заявляемый способ промышленно применим, так как не требует использования специальных технологий или специальной оснастки и может быть использован в различных сферах, связанных с исследованиями почв.
Способ определения загрязнения почвы химическими элементами осуществляется следующим образом.
Проведено определение содержания химических элементов под курганами ямной и потаповской археологических культур в Красноярском районе Самарской области. Курганы находятся в окрестностях сел Лопатино и Потаповка. Курган ямной культуры относится ко времени рубежа IV/III тысячелетия до нашей эры. Потаповский курган датируется началом II тысячелетия до нашей эры. Таким образом, эти курганы были насыпаны с разрывом во времени не менее чем в одну тысячу лет. Их сравнение позволило определить тренд естественного накопления химических элементов, и сравнить с современным уровнем химического загрязнения.
Содержание элементов (мг/кг) в пробах верхнего слоя погребенной почвы кургана ямной культуры Красноярского р-на Самарской обл. приведено в таблице 1.
Таблица 1
Глубина (см)
Zn цинк
Cu медь
Pb свинец
Cd кадмий
Ni никель
Со кобальт
Cr хром
Mn марганец
70-80
48,0
17,3
5,7
0,12
37,2
9,2
31,5
459,0
Содержание элементов (мг/кг) в пробах верхнего слоя погребенной почвы кургана потаповской культуры Красноярского р-на Самарской обл. приведено в таблице 2.
Таблица 2
Глубина (см)
Zn цинк
Cu медь
Pb свинец
Cd кадмий
Ni никель
Со кобальт
Cr хром
Mn марганец
35-40
48,0
15,5
5,5
0,10
33,9
9,2
29,2
401,0
Определение элементов проводили атомно-абсорбционным методом на атомно-абсорбционном спектрофотометре модели 180-80 фирмы "Hitachi" с эффектом Зеемана в пламени ацетилен - воздух. Почвенные пробы были разложены методом «мокрого озоления» в смеси концентрированных азотной кислоты и перекиси водорода.
Сравнение подкурганных почв на содержание микроэлементов показывает их идентичность. Это свидетельствует о том, что естественный состав почв оставался стабильным до современного антропогенного воздействия.
Проведено определение содержания тяжелых металлов в современных почвах Красноярского района Самарской обл. (Прохорова Н.В. Тяжелые металлы в почвах административных районов Самарской области. // Вестник Сам. ГУ - естественно-научная серия. 2002. Специальный выпуск. Самара, с.183-187).
Фактическое содержание (мг/кг) тяжелых металлов в современных почвах Красноярского р-на Самарской обл. приведено в таблице 3.
Таблица 3
Zn цинк
Cu медь
Pb свинец
Cd кадмий
Ni никель
Со кобальт
Cr хром
Mn марганец
89,4
42,9
9,8
Не определен
31,9
16,2
102,1
723,6
Сопоставление содержания в эталонных фоновых древних археологических почвах с современными показывает на их существенное различие. Проведено сравнение загрязненности по формуле:
c
факт
фон
Z=С/С
Установленная степень загрязнения современных почв Красноярского района приведена в таблице 4.
Таблица 4
Zn цинк
Cu медь
Pb свинец
Cd кадмий
Ni никель
Со кобальт
Cr хром
Mn марганец
Z<sub>c</sub>
1,85
2,77
1,78
не определен
0,94
1,76
3,49
1,8
По всем химическим элементам почв Красноярского района Самарской обл. мы видим увеличение содержания элементов тяжелых металлов в современных почвах по сравнению с фоновыми почвами археологических памятников. То есть почвы района подвержены современному техногенному влиянию.
Проведено исследование почв двух археологических памятников Камышлинского района Самарской обл. Здесь обнаружены два поселения срубной культуры эпохи поздней бронзы: Кибит I и Байтуган II. Памятники датируются вторым тысячелетием до нашей эры. Проведено определение содержания тяжелых металлов в верхних слоях почв памятника археологии, включенных в современный почвообразовательный процесс, и нижних фоновых слоев, погребенных под культурным слоем поселения.
Содержание элементов (мг/кг) тяжелых металлов в пробах памятников археологии Камышлинского района приведено в таблице 5.
Таблица 5
Zn цинк
Cu медь
Pb свинец
Cd кадмий
Ni никель
Со кобальт
Cr хром
Mn марганец
Mg магний
1
61,0
29,4
8,0
менее 0,17
91,1
14,2
137,5
655,0
11120
2
46,8
27,1
7,0
менее 0,18
92,6
11,6
127,8
553,0
12465
3
47,0
31,1
8,1
менее 0,18
64,3
14,1
120,1
753,0
9010
4
48,2
28,9
7,4
менее 0,18
55,7
12,3
105,7
529,0
8930
1. Кибит I Шурф 19б - глубина - 0-5 см (верхний слой, включенный в современные антропогенные процессы).
2. Кибит I Шурф 19б - глубина 36-50 см (фоновый слой, под культурным слоем срубной культура эпохи поздней бронзы).
3. Байтуган II, глубина 0-20 см (верхний слой, включенный в современные антропогенные процессы).
4. Байтуган II, глубина 55-77 см (фоновый слой, под культурным слоем срубной культура эпохи поздней бронзы).
Установленная степень загрязнения современных почв Камышлинского района, поселение Кибит I, приведена в таблице 6.
Таблица 6
Zn цинк
Cu медь
Pb свинец
Cd кадмий
Ni никель
Со кобальт
Cr хром
Mn марганец
Mg магний
Z<sub>c</sub>
1,3
1,08
1,14
Не определен
0,98
1,22
1,07
1,18
0,89
Установленная степень загрязнения современных почв Камышлинского района, поселение Байтуган II, приведена в таблице 7.
Таблица 7
Zn цинк
Cu медь
Pb свинец
Cd кадмий
Ni никель
Со кобальт
Cr хром
Mn марганец
Mg магний
Z<sub>c</sub>
0,98
1,08
1,09
Не определен
1,15
1,14
1,13
1,42
1,01
Сопоставление содержания в эталонных фоновых древних археологических почвах с современными почвами показывает на их несущественное различие. Таким образом, предлагаемый способ определения загрязнения почвы химическими элементами дает основание утверждать, что территории, на которых находятся памятники археологии Камышлинского района, не подвергаются современному техногенному воздействию.
Заявленный способ может быть реализован использованием погребенных почв под археологическими памятниками в качестве фоновых для определения степени загрязнения конкретных территорий. Сравнение фоновых археологических почв и почв современных, отобранных на конкретных территориях, позволяет установить степень современного техногенного загрязнения. Данный способ позволяет установить естественное содержание и искусственное привнесение в почвы микроэлементов в результате современного антропогенного влияния. Реализация способа возможна при проведении комплекса охранных мероприятий на территории конкретных административных районов, при изменения статуса конкретных земельных участков, при строительстве и в сельском хозяйстве.