Эколого-геохимическая характеристика почв г. Павлодара Республики Казахстан

М.С. Панин, Э.А. Гельдымамедова

ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВ Г. ПАВЛОДАРА РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Определено содержание химических элементов в почвах г. Павлодар. Установлено, что техногенное загрязнение почвенного покрова имеет мозаичный характер. Наибольшие концентрации химических элементов характерны для восточной и северной промышленных зон. Наименьшие - для северного пригорода. Наиболее выраженные концентрации химических элементов в почвенном покрове располагаются по направлениям господствующих ветров от промышленных предприятий. Составлены картосхемы распределения химических элементов в почвах города.

Во многих городах мира высокие темпы загрязнения привели к нарушению основных агроэкологичес-ких функций почв [1, 2]. Выращивание сельскохозяйственных растений, используемых в пищу вблизи этих территорий, потенциально опасно, поскольку культурами накапливаются избыточные количества химических элементов, способные приводить к различным заболеваниям человека и животных.

Загрязнение почвенного покрова чаще всего происходит за счет их атмосферных выбросов. Попадая в почву, тяжелые металлы и другие химические элементы в основном закрепляются в ней. Их содержание, которое мы фиксируем в данный момент, есть результат накопления за годы работы местной промышленности и автотранспорта.

Исследования в разных городах мира показали, что техногенное загрязнение почвенного покрова имеет мозаичный характер. Микромозаичность возникает вследствие всевозможных локальных событий. Основные, большие по площади, ореолы создают крупные предприятия - продуценты не только тяжелых металлов, но и многих других химических элементов, долевое присутствие которых в атмосферных выбросах значительно.

Поэтому необходимость изучения широкого спектра химических элементов особенно велика в промышленных городах. Павлодар входит в их число и является одним из самых загрязненных городов Казахстана.

Целью данной работы было определение тяжелых металлов и других химических элементов в почвах г. Павлодар Республики Казахстан.

Объекты и методы исследования

Павлодар расположен по правую сторону р. Иртыш в пределах Прииртышской впадины, представляющей юго-восточную окраину Западно-Сибирской низменности.

Павлодар является центром, образующим Павло-дар-Экибастузский территориально-производственный комплекс. Южнее и юго-западнее Павлодара находятся крупные промышленные центры Павлодарской области г. Аксу и Экибастуз. Они располагаются на основных направлениях переноса воздушных масс и поэтому не исключена вероятность их воздействия на Павлодар.

С точки зрения территориального распределения, можно выявить два крупных промышленных узла -это Павлодар-Аксуский и Экибастузский, в которых сосредоточено до 94% выпуска всей промышленной

продукции. Специализация первого - электроэнергетика, химическая и нефтехимическая промышленность, черная и цветная металлургия, машиностроение. В нем производится 52% всей продукции области. Во втором превалирует угольная промышленность и электроэнергетика.

Общая площадь г. Павлодар составляет 326880 га (0,3 тыс. км2), население - 285,8 человек (по данным переписи 1999 г.). На период исследования в городе зарегистрировано 87 промышленных предприятий. К наиболее крупным промышленным предприятиям относятся алюминиевый, машиностроительный, картонно-рубероидный, химический, нефтехимический, судостроительно-судоремонтный, инструментальный, тракторный, резинотехнический заводы, завод металлоконструкций и электромонтажных изделий и др. Кроме того, на территории города расположены 3 ТЭЦ, более 20 котельных и 5751 единица частного домостроения, которыми в год сжигается в общей сложности более 3,5 млн т угля.

Выбросы предприятиями загрязняющих веществ в атмосферу г. Павлодар в период исследования составили: 2001 г. - 114,1 тыс. т, 2002 г. - 131,8 тыс. т. Еще

13,1 тыс. т поступает в атмосферу с выхлопными газами автотранспорта. Следует иметь в виду и тот факт, что в черте города находится свыше 60,3 тыс. садовых участков и сотни огородов частных домовладений.

Павлодар расположен в поясе каштановых почв глубоковскипающих маломощных и среднемощных легкосуглинистых и супесчанных. Почвы характеризуются следующими физико-химическими свойствами: содержание гумуса - 1,26-1,97%, ила - 7,02-12,24, физической глины - 2,10-5,66, сумма фракций физической глины - 10,58-20,58, содержание карбонатов (на глубине 85-140 см) - 1,34-4,66%, рН водной вытяжки - 6,66-6,94.

Почвообразующими породами служат незасоленные древне-аллювиальные супеси и пески. Пробы почв (0-10 см) для исследований отбирались в 2001-2002 гг. в различных районах г. Павлодара и его промышленных зонах по схеме, изображенной на рис. 1, согласно стандартным методическим рекомендациям. В пределах города пробы почв отбирали с частотой 1 проба на 1 кв. км. Фоновые пробы были взяты в 80 км от города в противоположную сторону от розы ветров. Отобрано и проанализировано 609 проб почвы.

Для удобства анализа полученных результатов и учитывая опыт предыдущих исследователей [3-6] территория города условно разделена нами на четыре зоны: северная (промышленная), восточная (промыш-

Рис. 1. Карта отбора проб почвы на территории г. Павлодар

ленная), центральная (селитебная) и северный пригород (с. Мичурино, с. Зангар).

Для определения валового содержания химических элементов почвенные пробы подвергались полному разложению концентрированными минеральными кислотами. Содержание химических элементов определяли методом атомной абсорбции на спектрофотометре фирмы Perkin Elmer модель 403 с электротермическим анализатором HGA-74 и дейтериевым корректором фона.

Результаты и их обсуждение

Валовое содержание тяжелых металлов и химических элементов в почвах г. Павлодар представлено в табл. 1.

По величине средней концентрации исследуемые элементы располагаются в следующем убывающем порядке: Mn>Sr>Zn>V>Cr>Ni>Pb>Cu>Co>Mo = =Be>Cd>Hg.

В почвах города максимальное варьирование характерно для ртути (206,0%), бериллия (97,7%), кад-

мия (96,3%); минимальное - марганца (26,6%), никеля (42,1%), стронция (43,4%). По величине среднего коэффициента вариации исследуемые элементы располагаются в следующем убывающем порядке: Н§>Ве>Сд>2п>Сг>РЪ>Мо>Со>Си>У>8г>№>Мп.

Для рассматриваемой территории характерна мозаичность содержания химических элементов. В почвах города максимальное количество цинка превышало минимальное в 13 раз, ртути - в 237 раз, кадмия - в 26,4, бериллия - в 20,5, меди - в 8,6, свинца - в 11,8, хрома - в 9,2, марганца - в 3,4, кобальта - в 8,7, молибдена - в 8,8, никеля - в 5,4, стронция - в 5,1, ванадия - в 4,2 раза (рис. 2).

Установлено, что средняя концентрация химических элементов во всех исследованных пробах почв превышает фон в 1,6-22,5 раза. Максимальное превышение фона характерно для ртути (в 22,5 раза), кадмия (в 5,4 раза), кобальта (в 2,8 раза), молибдена (в 3,1 раза).

Средняя концентрация химических элементов в почвах г. Павлодар (за исключением марганца и берил-

Элемент Kv M±m с Cv,%

Cu 17,4-149,2 53,8±1,1 28,2 52,4

Zn 42,2-549,8 136,1±4,1 102,3 75,2

Cd 0,35-9,23 1,9±0,08 1,9 96,3

Pb 16,9-198,6 56,7±1,5 36,5 64,5

Cr 37,8-348,7 89,3±2,6 63,4 71,0

Mn 523,4-1784,3 846,8±9,1 224,9 26,6

Co 7,3-63,4 19,9±0,5 11,8 59,3

Mo 0,9-7,9 2,5±0,06 1,5 59,7

Be 0,4-8,2 2,5±0,1 2,4 97,7

Ni 29,8-159,7 66,2±1,1 27,9 42,1

Sr 272,3-1385,4 558,9±9,8 242,7 43,4

Hg 0,08-18,96 1,8±0,1 3,7 206,0

V 48,2-203,4 97,8±1,8 43,6 44,6

Примечание. Kv - предел колебания; с - среднее квадратичное отклонение; Cv - коэффициент вариации.

30 25 20 15 10 5 0

во сколько раз max кол-во ТМ превышает min

Рис. 2. Превышение максимального содержания химических элементов над минимальным

в почвах г. Павлодар

лия) в 1, 1-21,6 раза выше их кларка в земной коре и в 1,2-180,0 раза (за исключением хрома, марганца, бериллия, ванадия) их кларка в почве (табл. 2). В почвах города от 3,8 до 100% проб, содержащих различные химические элементы, превышают их ПДК. Наиболее приоритетными загрязнителями почв города являются стронций, хром, никель, ртуть, ванадий, кадмий. Валовое содержание бериллия в исследованных почвах не превышает ПДК.

Наиболее опасными для состояния окружающей среды считаются бериллий, кадмий, хром, медь, ртуть, никель, свинец, ванадий, цинк, а наиболее ядовитыми как для высших растений, так и для ряда микроорганизмов являются ртуть, медь, никель, свинец, кобальт, кадмий и, вероятно, также бериллий [10].

Уровень концентрации химических элементов в почвах различных зон г. Павлодар неодинаков (табл. 3), что отражает специфику разнопрофильных производств, их неодинаковую техногенную нагрузку, степень очистки выбросов и т.д.

Наибольшие концентрации Си, 2п, Сё, РЪ, Сг, Мп, Со, Мо, Ве в почвах характерны для восточной промзоны. В данной зоне расположены алюминиевый за-

вод и ТЭЦ, которыми выбрасывается до 90% от общего количества загрязняющих веществ в год (2001 г. -

70,1 тыс. т; 2002 г. - 72, 3 тыс. т).

Наименьшие концентрации характерны для северного пригорода, что объясняется отдаленностью промышленных предприятий и расположением в противоположном направлении розы ветров. Как показали исследования, средняя концентрация тяжелых металлов в восточной промзоне в 1,1-5,4 раза выше концентрации этих металлов в северном пригороде. Так, содержание кадмия в восточной промзоне превышает таковое в северном пригороде в 5,3 раза, бериллия - в 5,4, цинка - в 3,0 раза и т.д.

Содержание Щ, У, Бг, N1 в почвах максимально в северной промзоне. На данной территории функционируют нефтеперерабатывающий, химический, тракторный заводы и 2 ТЭЦ. Средняя концентрация ртути в почве северной промзоны составила 3,51 мг/кг, тогда как в северном пригороде - 0,21 мг/кг, т.е. в 16,7 раза больше. Средняя концентрация ванадия в северной промзоне в 1,8 раза выше таковой в северном пригороде; стронция - в 1,3 раза; никеля - в 1,6 раза.

Элемент Среднее содержание Фон Кларк в земной коре [7] Кларк в почве [8] ПДК [9] % проб с превышением ПДК

1 2 3 4 5 6 7

Си 53,8 17,9 47 20 100 6,3

2п 136,1 42,4 83 50 300 10,1

са 1,95 0,36 0,13 0,5 3 15,2

РЬ 56,66 15,7 16 10 100 11,4

Сг 89,3 36,9 83 200 100 24,1

Мп 846,81 525,8 1000 850 1500 3,8

Со 19,95 7,2 18 10 50 3,7

Мо 2,47 0,8 1,1 2,0 5 7,6

Ве 2,47 0,4 3,8 6,0 10 0

N1 66,21 28,8 58 40 50 60,7

8г 558,93 263,5 340 300 10 180

И8 1,8 0,08 0,083 0,01 2 17,7

V 97,77 47,8 90 100 100 30,3

Т а б л и ц а 3

Содержание химических элементов в почвах различных зон г. Павлодар

Эле- мент Северная промышленная

Си 55,2±1,2 73,5±3,2 47,4±1,2 23,5±0,5

24,2-104,2 28,3-149,2 31,5-61,3 17,4-33,4

2п 150,2±6,5 178,2±8,7 89,6±2,5 58,9±1,0

48,2-549,8 49,7-358,4 63,2-123,5 17,4-33,4

са 1,79±0,06 3,4±0,3 1,21±0,07 0,64±0,02

0,35-4,76 0,48-9,23 0,53-2,37 18,0-60,2

РЬ 54,1±1,7 83,8±4,2 46,6±2,0 28,7±1,2

16,9-130,4 28,7-198,6 28,2-71,3 18,0-60,2

Сг 73,2±1,9 146,2±8,5 86,8±2,6 50,1± 1,0

38,7-172,3 42,4-448,7 58,6-125,3 37,8-72,7

Мп 786,4±6,3 1056,6±30,0 829,3±11,2 711,6±5,2

523,4-1057,6 638,8-1784,3 695,4-935,5 627,8-799,8

Со 17,3±0,4 32,3±1,4 15,9±0,4 11,4±0,2

9,4-44,2 12,6-63,4 12,1-23,4 7,3-14,7

Мо 1,95±0,05 3,98±0,2 2,6±0,06 1,64±0,04

0,9-5,7 1,7-7,9 1,8-3,3 1,2-2,6

Ве 2,67±0,1 3,65±0,2 1,5±0,05 0,68±0,02

0,4-8,2 0,8-8,2 0,8-2,2 0,4-1,3

N1 75,9±1,8 66,1±2,3 51,5±1,5 47,1±1,2

29,8-159,7 38,8-125,5 35,5-67,7 32,4-72,3

8г 643,7±17,1 453,2±9,7 514,3±23,7 501,2±10,7

289,7-1385,4 272,3-693,6 297,4-835,5 378,5-735,6

И8 3,51±0,3 0,23±0,009 0,16±0,005 0,21±0,02

0,12-18,96 0,08-0,41 0,12-0,22 0,08-0,57

V 111,7±2,7 104,8±3,7 72,6±2,4 61,9±1,0

48,8-203,4 61,2-189,7 48,2-97,3 48,8-79,9

Примечание. В числителе - средняя арифметическая и ее ошибка, мг/кг; в знаменателе - предел колебаний, мг/кг.

Поскольку в городе предприятия образуют территориально-промышленные узлы, очаги загрязнения имеют не один центр, к которому приурочено максимальное содержание в почве того или иного элемента, а несколько центров, различающихся по составу накапливающих элементов и по интенсивности их накопления (рис. 3).

1-я зона (2с>128) приурочена к промлощадкам нефтеперерабатывающего, химического заводов и

ТЭЦ, а также к территориям, непосредственно прилегающим к ним. Согласно разработанным критериям экологического состояния почв [11] зоны с 2с более 128 следует отнести к зонам экологического бедствия.

Среднее значение 2с для северной промзоны составляет 69,3. Следует отметить высокие концентрации ртути в почвенном покрове, что объясняется длительным использованием ее в содовом производстве на химическом заводе.

2-я зона (2с=32-128). Площадь загрязнения почв указанной интенсивности приурочена к промплощад-кам алюминиевого и тракторного заводов, а также к территории, прилегающей к озеру-накопителю Бал-кылдак. Данные территории относятся к зонам с чрезвычайной экологической ситуацией.

3-я зона (2с=16-32) - зона относительно удовлетворительной экологической ситуации. Загрязнением указанного уровня охвачена значительная часть жилых массивов - многоэтажная застройка.

4-я зона (2с< 16). По существующей градации [12, 13] загрязнение почв до 16 превышений над фоном относится к допустимому. Указанные концентрации характерны для дальних пригородных зон, примыкающих к городу. Из жилых массивов города загрязнение этого уровня свойственно Усольскому микрорайону.

Эколого-геохимическое состояние почв района может быть охарактеризовано коэффициентом кон-

центрации (Кс), коэффициентом опасности (Ко) и кларком концентрации (Кк).

Данные коэффициенты отражают увеличение содержания химических элементов в исследуемой почве в сравнении с фоном (Кс), ПДК (Ко) и кларком в земной коре (табл. 4).

Кларк концентрации (Кк) как формализованный универсальный показатель относительной распространенности химических элементов в природных телах используется достаточно широко. Сравнительный анализ Кк является одним из способов одновременного эффективного исследования элементов в конкретных природных телах.

Средний кларк концентрации (Кк) химических элементов в почвах колеблется от 0,6 (бериллий) до 13,5 (кадмий), коэффициент концентрации (Кс) - от 1,61 (марганец) до 22,45 (ртуть) и коэффициент опасности (Ко) - от 0,05 (бериллий) до 1,77 (свинец).

Рис. 3. Карта-схема размещения суммарного коэффициента загрязнения в почвах г. Павлодар

Элемент Среднее содержание, мг/кг Кларк концентрации

Си 53,8 1,1 3,01 0,54

2п 136,1 1,4 3,21 0,45

са 1,95 13,5 5,42 0,65

РЬ 56,7 3,3 3,61 1,77

Сг 89,3 1,1 2,42 0,89

Мп 846,8 0,8 1,61 0,56

Со 19,9 1,1 2,77 0,20

Мо 2,47 2,3 3,09 0,49

Ве 2,47 0,6 6,18 0,05

N1 66,2 1,0 2,30 0,66

8г 558,9 6,4 2,12 1,12

И8 1,8 12,4 22,45 0,90

V 97,8 1,0 2,05 0,65

Т а б л и ц а 5

Классы содержания химических элементов в почвах г. Павлодар

Элементы Классы содержания, мг/кг Процент проб Площадь города, га

1 2 3 4

<32,0 29,1 101850

32,1-64,0 38,0 133000

64,1-96,0 24,0 84000

>96,1 8,9 31150

<100,0 54,5 190750

100,1-200,0 25,3 88550

200,1-300,0 10,1 35350

>300,1 10,1 35350

<1,0 38,0 133000

1,1-2,0 35,4 123900

2,1-3,0 11,4 39900

>3,1 15,2 53200

<40,0 39,2 137200

40,1-80,0 40,5 141750

80,1-120,0 12,7 44450

>120,1 7,6 26600

<50,0 27,8 97300

50,1-100,0 48,1 168350

100,1-150,0 11,4 39900

>150,1 12,7 44450

70700

<700,0 20,2 194950

700,1-900,0 55,7 53200

900,1-1100,0 15,2 31150

>1100,1 8,9

<15,0 46,8 163800

15,1-26,0 30,4 106400

26,1-37,0 12,7 44450

>37,1 10,1 35350

<1,5 27,8 97300

1,6-3,0 51,9 181650

3,1-5,0 12,7 44450

>5,1 7,6 26600

<1,5 59,5 208250

1,6-3,0 16,5 57750

3,1-4,5 3,8 13300

>4,6 20,2 70700

<50,0 38,0 133000

50,1-75,0 27,8 97300

75,1-100,0 22,8 79800

>100,1 11,4 39900

1 2 3 4

<400,0 26,6 93100

400,1-600,0 44,3 155050

600,1-800,0 15,2 53200

>800,1 13,9 48650

<70,0 30,4 106400

70,1-100,0 39,2 137200

100,1-130,0 6,3 22050

>130,1 24,1 84350

<0,30 50,6 177100

И8 0,31-2,00 31,6 110600

2,01-5,00 5,1 17850

>5,1 12,7 44450

По величине среднего кларка концентрации исследованные металлы образуют следующий убытающий ряд: Сд>Щ>8г>РЪ>Мо>2п>Со=Сг=Си>М=У>Мп >Ве.

По среднему коэффициенту концентрации элементы располагаются в следующем убывающем порядке: Щ>Ве>Сд>РЪ>2п>Мо>Си>Со>Сг>№>8г>У>Мп.

По величине коэффициента опасности исследованные тяжелые металлы располагаются в следующем

убывающем порядке: РЪ>8г>^>Сг>№>У=Сё> >Мп>Си>Мо>2п>Со>Ве.

Определены классы содержания химических элементов и их процент в почвах города (табл. 5). Наряду с картой-схемой суммарного коэффициента загрязнения составлены карты-схемы распределения каждого отдельного элемента в почвах на территории г. Павлодар.

ЛИТЕРАТУРА

1. Орлов Д.С., Малинина М.С., Мотузова Г.В. и др. Химическое загрязнение почв и их охрана. М.: Агропромиздат, 1991. 303 с.

2. Касимов Н.С., Перельман А.И., Евсеев А.В. и др. Экогеохимия городских ландшафтов. М., 1995. 333 с.

3. Панин М.С. Эколого-биогеохимическая оценка техногенных ландшафтов Восточного Казахстана. Алматы: Эверо, 2000. 338 с.

4. Ильин В.Б., Сысо А.И. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области. Новосибирск: Изд-во СО

РАН, 2001. 229 с.

5. Буренков Э.К., Гинзбург Л.Н., Грибанова Н.К. и др. Комплексная эколого-геохимическая оценка техногенного загрязнения окружаю-

щей природной среды. М.: Прима-Пресс, 1997. 72 с.

6. Боев В.И. Тяжелые металлы в почвах и огородных культурах г. Семипалатинска: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Новосибирск,

2000. 24 с.

7. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 277 с.

8. Виноградов А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры // Геохимия.

1962. № 7. С. 555-571.

9. Шоке А. Richwerte’80. Опепйеги^$ёа1еп Гиг ш1епегЪаге Gesamtgehalte е^ег Е1етеМе т КикигЪоёеп // МйеНи^ег УВЬИЕА. 1980. Н. 1-3. 8. 9-11.

10. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях: Пер с англ. М.: Мир, 1989. 439 с.

11. Критерии оценки экологической обстановки территорий для выявления чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. М., 1992.

12. Минздрав СССР. Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами. М., 1987.

13. СанНиП № 3.05.004.96 от 09.04.96 г. «Оценочные показатели санитарного состояния почвы населенных мест».