Миграция тяжелых металлов от очага загрязнения в зависимости от взаимосвязей в ландшафте

УДК 631.41

А. В. Писарева, С. Л. Белопухов, В. И. Савич,

Л. П. Степанова, В. В. Гукалов, Е. В. Яковлева, И. Г. Шайхиев

МИГРАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ОТ ОЧАГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ

ОТ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ В ЛАНДШАФТЕ

Ключевые слова: тяжелые металлы, прогноз содержания на разном расстоянии от источника загрязнения.

В работе показано, что содержание тяжелых металлов в почвах определяется не только удаленностью от очага загрязнения, но также гранулометрическим составом почв, положением почв по рельефу, растительностью, интенсивностью протекающих процессов почвообразования, сочетанием факторов деградации почв. Предложены алгоритмы расчета концентраций тяжелых металлов в таких почвах.

Keywords: heavy metals, the content of the forecast at different distances from the source ofpollution.

It is shown that the content of heavy metals in soils is determined not only by remoteness from centers ofpollution, but also the particle size distribution of soils, soil position on topography, vegetation-ness, the intensity of the processes of soil formation, the combination of soil degradation factors. The algorithms for calculating concentrations of heavy metals in these soils.

Введение

Загрязнение почв тяжелыми металлами представляет важную агроэкологическую проблему [1, 3, 4, 7]. Большое значение имеет оценка изменения степени загрязнения на разном расстоянии от источника загрязнения [1, 4, 8]. При этом в существующих методах прогноза учитывается роза ветров, скорость ветра и расстояние от источника загрязнения [1, 4, 7, 8]. Однако не учитываются другие взаимосвязи в ландшафте, что послужило основанием для разработки вопросов, рассматриваемых в статье.

Объекты и методы исследования

Объектом исследования выбраны загрязненные тяжелыми металлами городские почвы (урбаноземы), почвы парков и скверов [5, 9, 10], дерново-подзолистые почвы Московской области [6], обыкновенные мощные малогумусовые черноземы Краснодарского края, развитые на разных элементах рельефа [2].

Методика исследования состояла в оценке валового содержания тяжелых металлов и их подвижных форм в вытяжке СН3СООNН4 с рН = 4,8 на разном удалении от источников загрязнения, в катене, под разными растительными ассоциациями [3, 8].

Обсуждение результатов

Содержание тяжелых металлов в почвах закономерно изменяется с удалением от очага загрязнения, что подтверждает результаты ранее проведенных исследований на различных территориях.

Проведенные исследования верхних горизонтов урбаноземов и антропогенно-измененной светлосерой лесной почвы (мощностью 0-20 см) по содержанию тяжелых металлов в зонах воздействия городского автотранспорта Московского мегаполиса и шлакового отвала (п. Думчино) показали

значительное варьирование количества тяжелых металлов по ключевым участкам: закономерное снижение валовых количеств всех исследуемых тяжелых металлов и величины коэффициента суммарного загрязнения с удалением от источника загрязнения.

Для урбаноземов опытных площадок, расположенных на разном удалении от автодороги МКАД, шоссе Энтузиастов и Каширского шоссе, распределение подвижных форм трех из шести исследуемых элементов: Zn, РЬ, Си характеризует тренд снижения их концентраций в верхних горизонтах опытных участков по мере удаленности от главного источника загрязнения - автодороги (Си

- в 2,45-4,0; Zn - в 2,6-6,6; РЬ - в 1,7-5,6 раза). Тренды уменьшения и накопления наиболее четко проявляются на транссекте шоссе Энтузиастов, характеризующейся доминированием аэрального поступления тяжелых металлов в почвы.

По полученным нами данным, при удаленности от источника загрязнения на расстоянии 300 м количество подвижных форм тяжелых металлов в урбаноземе Орловской области резко снижалось: для кадмия - на 23 %, для меди - на 75 %, для цинка

- на 52 %, никеля - на 54 %, свинца - на 50 %, хрома - на 18 %. Валовое содержание Си при удалении от автодороги МКАД на 300 м снижалось в 2,5-4 раза, Zn - в 2,6-6,6 раз, РЬ - в 1,7-5,6 раз.

Исследованиями установлено влияние фактора времени на изменение концентрации и качественного состава подвижных форм тяжелых металлов в светло-серой лесной почве под воздействием шлакового отвала. Отмечается закономерное абсолютное снижение количества исследуемых тяжелых металлов: содержание подвижного кадмия на опытных площадках вблизи шлакового отвала (20 м) снижается в 24 раза, с увеличением удаленности от источника загрязнения количество подвижного кадмия снижается в 25,5 раза. При этом степень подвижности кадмия снижается с 45-46 % до 4,09-5,22 % от валового содержания. Почвенные условия 2016 г. создают благоприятную среду для повышения степени

подвижности свинца, степень подвижности которого возросла в 2-8 раз по сравнению с почвенными условиями 2010 г., что обусловило увеличение суммарного коэффициента накопления подвижных тяжелых металлов до 9,60 ед. в почве вблизи шлакового отвала и 6,1 ед. - в почве, удаленной от шлакового отвала на 300 м.

По полученным нами данным, в почвах парка Юбилейный г. Москвы на расстоянии 20-40 м от дороги содержание подвижного Zn составляло 4,9±1,0 мг/кг, а на расстоянии менее 20 м - 5,9±1,9; РЬ соответственно 7,3±0,5 и 8,9±1,1; Сd - 0,6±0,1 и 0,7±0,1 мг/кг. Однако, валовое содержание тяжелых металлов и их подвижных форм зависело не только от удаленности от источника загрязнения, но и от других факторов, определяющих их закрепление почвой и миграцию.

Содержание тяжелых металлов в почвах закономерно изменяется по элементам рельефа. Оно выше в пониженных элементах рельефа, в выположенных склонах, по сравнению с более крутыми, в балках, по сравнению со склонами и плакорными участками. Это подтверждается полученными нами данными.

При этом в аккумулятивной зоне было выше содержание тяжелых металлов не только в слое 0-20 см, но и в слое до 140 см. Так, в указанный период содержание Со в аккумулятивной зоне в этом слое составляло 13,2±0,2 мг/кг, а на склоне - 12,2±0,1. Содержание Zn соответственно 78,8±2,0 и 75,0±2,0; МП - 732,1±35,9 и 675,0±16,4; РЬ - 4,0±0,5 и 3,1±0,2 (табл. 1).

Таблица 1 - Валовое содержание тяжелых металлов в обыкновенных черноземах в пределах катены

Катион Северный Аккумулятивная

склон зона

Со 12,0 19,6

Zn 78,0 84,5

Мп 710,0 870,0

РЬ 20,4 22,4

При этом при сохранении тенденции абсолютное содержание изменялось в течение ряда лет, весной, летом и осенью, на плато и склонах северной и южной экспозиции.

Содержание тяжелых металлов в почвах закономерно изменяется в зависимости от растительных ассоциаций напочвенного покрова, что определяет скорость ветра, константы ионного обмена в системе почва-растение, коэффициент биологического поглощения тяжелых металлов.

Растительный покров, состоящий из разных групп древесных растений, неодинаково снижает скорость ветра и поглощает тяжелые металлы. Если принять очищающую способность ели за 100 %, то у дуба обыкновенного она составит 450 %.

Продукты разложения растительного опада обладают определенными кислотно-основными и окислительно-восстановительными свойствами, комплексообразующей способностью. При их

миграции вниз по профилю тяжелые металлы вымываются из верхнего слоя, что определяется интенсивными и экстенсивными параметрами вышеуказанных свойств: рН и количеством Н в мигрирующих водах в мг-экв/л, Еh и количеством восстановителей в мигрирующих водах, константами устойчивости образующихся комплексов и количеством органических лигандов, участвующих в комплексообразовании (мг-экв/л). При промывном типе водного режима этот процесс усиливается.

По полученным нами данным, условный коэффициент элюирования под березой и лиственницей составлял, соответственно, для железа 160 и 64, для марганца - 73,5 и 10,0, для цинка -33,3 и 43,6.

По данным Яшина И.М. и Кауричева И.С. [5], из свежих листьев деревьев лиственных пород выщелачивается больше водорастворимых органических веществ - 190-490 г/м2, по сравнению с выщелачиванием из хвойных пород - 128 г/м2. Для разных древесных и травянистых культур отличаются и коэффициенты биологического поглощения. Так, по данным Решетниковой С.И., для меди он равен для хвои ели - 0,12, для листьев березы - 0,46 [5]. Такую закономерность подтвердили и полученные нами данные о комплексообразующей способности

водорастворимых органических веществ разлагающихся растительных остатков этих древесных культур. Так, продукты разложения листьев тополя вытесняли из чернозема 32,3 мг Си на 1 л, а водорастворимые продукты разложения ели - 8,5. Среднее валовое содержание цинка под лесополосой на этой почве составляло 53,7 мг/кг, под пашней - 78,0. Однако, для отдельных тяжелых металлов эти закономерности отличались.

Содержание тяжелых металлов в почвах зависит от скорости и интенсивности протекающих в них почвообразовательных процессов. Дерновый процесс почвообразования приводит к накоплению тяжелых металлов в верхнем слое почв, подзолообразование - к уменьшению. Эти процессы, естественно, с неодинаковой интенсивностью протекают в почвах разного хозяйственного использования. Это иллюстрируют данные таблицы 2.

Содержание тяжелых металлов в почвах закономерно изменяется в зависимости от гранулометрического и минералогического состава почв. При увеличении емкости поглощения почв по отношению к катионам, при увеличении доли в почвах минералов группы 2:2, 2:1 поглощение почвами тяжелых металлов возрастает.

Отмечено, что в пахотном слое обыкновенного малогумусового чернозема при содержании гумуса 2,9±0,2 %, содержание подвижного цинка составляло 4,7±0,4 мг/кг, меди - 5,0±0,1; марганца -137,8±29,0; свинца - 3,8±0,1; никеля - 6,2±0,6. При содержании гумуса 1,7±0,2 %, Zn - 3,5±0,1; Си -4,1±0,1; МП - 49,0±4,0; РЬ - 3,2±0,1, № - 4,6±0,5 мг/кг.

Таблица 2 - Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах г. Москвы в зависимости от их хозяйственного использования, мг/кг

Использование почв, состояние растительности Zn РЬ Cd

скверы, газоны 6,5±1,4 8,5±0,9 0,5±0,1

селитебные участки 25,6±2,5 14,6±1,6 1,0±0,1

пойма 39,7 15,0 0,9

кризис, бедствие для развития травостоя 26,7±4,3 18,9±4,1 1,2±0,3

норма, риск для развития травостоя 16,5±2,9 12,8±2,0 0,8±0,1

Содержание тяжелых металлов в почвах закономерно изменяется в зависимости от степени увлажнения почв, т.к. степень увлажнения определяет Еh и рН почв, микробиологическую активность, комплексообразующую способность мигрирующих вниз почвенных растворов. В восстановительных условиях при избыточном увлажнении резко возрастает растворимость осадков железа, марганца, хрома, меди. При промывном типе водного режима это приводит к подкислению среды и увеличению подвижности тяжелых металлов, что сопровождается уменьшением их содержания в верхнем слое почв [11,12]. Для парков г. Москвы это иллюстрируется данными таблицы 3.

Таблица 3 - Связь содержания водорастворимого свинца со степенью переувлажнения, мг/л

РЬ Fe Мп

0,16±0,01 0,06±0,04 0,34±0,11 0,32±0,07 0,50±0,01 0,39±0,07

*) в числителе - при избыточной влажности; в знаменателе - при оптимальной

Содержание тяжелых металлов в почвах закономерно изменяется в зависимости от интенсивности и сочетания протекающих в почвах процессов деградации. Развитие эрозии приводит к уменьшению содержания тяжелых металлов в верхнем слое почв, как правило, к увеличению их в поверхностных водах.

Загрязнение почв органическими удобрениями приводит к образованию комплексов тяжелых металлов с органическими лигандами и к увеличению содержания их подвижных форм [13, 14]. Применение физиологически кислых удобрений сопровождается увеличением подвижности тяжелых металлов. Применение в почвах городов антигололедных реагентов увеличивает рН почв, ионную силу почвенных растворов, но при наличии в реагентах натрия способствует диспергированию почв. Все это существенно изменяет сорбционные свойства почв по отношению к тяжелым металлам и их накопление в верхнем слое.

Заключение

Таким образом, содержание тяжелых металлов в почве является функцией нескольких независимых переменных:

У/ = У0 -Т.к/Х/ ± к/X / -к/+1Х/+1

с учетом эффектов синергизма и антагонизма по эффекту влияния независимых переменных на У0. При этом сумма к1 =1 при положительном знаке влияния Х1 на У для емкости поглощения почв, гранулометрического состава, развития дернового процесса почвообразования, наличия точек опробования в пониженных элементах рельефа, ближе к источнику загрязнения. Отрицательный знак при к1 характерен при развитии подзолообразования, эрозии, У0 - концентрация тяжелых металлов в точке опробования, обусловленная розой ветров, мощностью выбросов от источника загрязнения, силой ветра, переносом с учетом водной и воздушной миграции без влияния дополнительно предлагаемых факторов.

В фоновой дерново-подзолистой почве мегаполиса самый высокий процент подвижных форм металлов установлен для кадмия - 50 % от валового содержания, цинка - 21,74, хрома - 16,8, никеля - 13,21, меди 11,24, свинца - 8,21 %. Для фоновой светло-серой лесной почвы самый высокий процент подвижных форм тяжелых металлов показан для цинка - 34,33 %, кадмия - 33,3, меди -12,2, никеля - 4,67, хрома - 2,5, свинца - 2,36 %. Доля подвижных форм тяжелых металлов в светлосерой лесной почве (фон) убывает в ряду: Zn = Cd > Си > N > Сг > РЬ, в дерново-подзолистой почве (Фон): Cd > Zn > Сг > N > Си > РЬ.

Литература

1. М.А. Глазовская, Геохимия техногенных и природных ресурсов СССР, Высшая школа, М., 1988. 330 с.

2. В.Н. Гукалов, В.А. Черников, В.И. Савич, С.Л. Белопухов, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 21, 178-183 (2014).

3. М.Ф. Дабахов, Автореф. дисс. ... докт. с/х наук., РГАУ-

МСХА, М., 2012. 40 с.

4. П.В. Елпатьевский, Геохимия миграционных потоков в природных и природно-техногенных системах, Наука, М., 1993. 253 с.

5. В.И. Савич, Ю.В. Федорин, Е.Г. Химина, Почвы мегаполисов, их экологическая оценка и создание, Агробизнесцентр, М., 2007. 660 с.

6. В.И. Савич, В.А. Седых, Д.Н. Никиточкин и др.,

Агроэкологическая оценка состояния свинца в системе почва-растение, ВНИИА, М., 2012. 360 с.

7. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, В.В. Гукалов, Д.С.

Скрябина, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 18, 12, 185-188 (2015).

8. С.Г. Самохвалов, А.В. Кузнецов, Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельскохозяйственных угодий и в продуктах растениеводства, ЦИНАО, М., 1989. 61 с.

9. Л.П. Степанова, Е.В. Яковлева, А.В. Писарева, Вестник

Орловского ГАУ, 33, 65-75 (2014).

10. Л.П. Степанова, Е.В. Яковлева, А.В. Писарева, Агрохимия, 10, 96-103 (2016).

11. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, В.А. Седых, Д.Н. Никиточкин, Известия ТСХА. 6, 5-11 (2013).

12. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, Д.Н. Никиточкин, А.В. Филиппова, Известия Оренбургского

государственного аграрного университета, 4 (42), 216-218 (2013).

13. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, М.Д. Алифиров, Г.Н. Кушнир, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 18, 20, 238-241. (2015).

14. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, Д.Н. Никиточкин, А.В. Филиппова, Известия Оренбургского государственного аграрного университета, 6 (44), 203-205 (2013).

© А. В. Писарева - старший преподаватель, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, тел. (499)263-63-91; С. Л. Белопухов - д.с/х.н., профессор, заведующий кафедрой химии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, тел.: (499) 976-32-16, belopuhov@mail.ru; В. И. Савич - д.с/х.н., профессор кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева; Л. П. Степанова - д.с/х.н., профессор кафедры земледелия, Орловский государственный аграрный университет им. Н.В. Парахина; Е. В. Яковлева - к.б.н., доцент кафедры безопасности жизнедеятельности на производстве, Орловский государственный аграрный университет им. Н.В. Парахина, В. В. Гукалов -к.с/х.н., доцент кафедры общей биологии и экологии, агрономической факультет, Кубанский государственный аграрный университет; И. Г. Шайхиев - д.т.н., заведующий кафедрой инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета.

© A. V. Pisareva - senior lecturer, Moscow State Technical University, tel. (499) 263-63-91; S. L. Belopukhov - Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Head of the Department of Chemistry RGAU-MTAA tel. (499) 976-32-16, belopuhov@mail.ru; V. I. Savich - Doctor of Agricultural Sciences, Department of Soil Science, Geology and Landscape RGAU-MTAA; L. P. Stepanova - Doctor of Agricultural Sciences, Professor of the Department of Agriculture, Orel State Agrarian University; E. V. Yakovleva - PhD, associate professor of the department of health and safety at work, Orel State Agrarian University; V. V. Gukalov - Ph.D, Associate Professor, Department of General Biology and Ecology, Agronomy Department, Kuban State Agrarian University; I. G. Shaikhiev -Ph.D, Head of Department of Environmental Engineering Kazan National Research Technological University.

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 01.02.17. по 20.03.17.