CC BY
48
Геоэкология
УДК 631.412:502.175(171.56-25)
DOI: 10.24411/1728-323X-2019-16036
ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АНТРОПОГЕННО-ПРЕОБРАЗОВАННЫХ ПОЧВ
Г. ЯКУТСКА
Н. Е. Сивцева, кандидат биологических наук, Арктический научно-исследовательский центр Академии наук РС(Я), sivnatalia81@mail.ru, Якутск, Россия
В статье приведены результаты эколого-геохимических исследований почвенного покрова селитебной зоны города Якутска. Проанализирован химический состав почвенного покрова города (урбаноземов), определено содержание различных форм микроэлементов, проведено сравнение содержаний валовых и подвижных форм тяжелых металлов с нормами ПДК, а также с региональными и локальными фоновыми данными. Установлены ряды накопления элементов, определены основные микроэлементы, загрязняющие почвенный покров. Установлено, что по содержанию валовых форм микроэлементов в городжих почвах сформирован следующий ряд накопления: РЬз,5 — Чц^ — Bjg — Zn^ — Crj 4 — Cui 3. Превышения норм ПДК валовых форм несущественны.
По содержанию подвижных форм элементов ряд накоплений в урбанозе-мах соответствует следующей схеме: РЬз,9 > Zn3,3 > Cui,7 > N¡1,2. По средним содержаниям для подвижных форм микроэлементов выявлено превышение ПДК до двух раз по свинцу, цинку и меди.
Основными поллютантами, вносящими основной вклад в загрязнение почвенного покрова г. Якутска, являются свинец, цинк, медь, никель и хром.
Проведенная оценка эколого-геохимического состояния урбаноземов г. Якутска по суммарному показателю загрязнения почвенного покрова выявила, что территория города соответствует допустимой категории загрязнения, с локальными участками, на которых превышен уровень умеренной и опасной категории загрязнения.
The paper presents the results of the ecological and geochemical studies of the soil cover of the Yakutsk residential zone. The chemical composition of the city's soil cover (urban soils) was analyzed, the contents of various forms of trace elements were determined, and the contents of gross and mobile forms of heavy metals were compared with the MPC standards, as well as with regional and local background data. The ranks of the accumulation of elements are specified. The main trace elements that contribute to the contamination of the soil cover are identified. It was also established that on the content of gross forms of microelements, in the urban soils, the following accumulation line was formed: Pb^ — V^ — Big — Zni,5 — Cry — Cui,3. The excess of the norms of the maximum permissible concentration of gross forms is insignificant.
According to the content of mobile forms of elements, the accumulation range in urban areas corresponds to the following scheme: РЬз,9 > Zn3,3 > Cui,7 > Nii,2. By average content, for mobile forms of microelements, the maximum permissible concentrations have been detected up to two times in lead, zinc and copper.
The main pollutants contributing to the pollution of the soil cover of Yakutsk are lead, zinc, copper, nickel and chromium.
The assessment of the ecological and geochemical state of the urban soils of Yakutsk in terms of the total soil contamination indicator revealed that the territory of the city is mainly within the permissible category of pollution, with local areas exceeding the moderate and dangerous category of pollution.
Ключевые слова: урбанозем, загрязнение почвы, тяжелые металлы, мониторинг, оценка, суммарный показатель загрязнения.
Keywords: urban soil, soil pollution, heavy metals, monitoring, evaluation, pollution indicator.
Введение. Почвенный покров города — сложная и неоднородная природно-антро-погенная биогеохимическая система. Продукты техногенеза, выпадая на земную поверхность, накапливаются в верхних горизонтах почв, изменяют их химический состав и вновь включаются в природные и техногенные циклы миграции. Как правило, современные уровни загрязнения почв формируются в течение последних 20—50 лет и являются наиболее стабильными индикаторами длительного техногенного воздействия, поэтому литогеохимическая индикация и картографирование являются одним из основных методов оценки экологического состояния городов (Перельман, 1999).
Эколого-геохимические исследования состояния природной среды и непосредственно территории города Якутска проводятся с 90-х годов прошлого столетия.
Первые эколого-геохимические работы начаты геохимиками Якутской экспедиции в начале 90-х годов (Эверстов, Кокшарский и др., 1993), далее с 2000-х годов исследованиями НИИПЭС СВФУ, ИМЗ СО РАН (Саввинов, Легостаева и др., 2002, 2005). В 2017 г. исследования продолжены в рамках Госзадания Академии наук РС (Я) «Изучение антропогенного воздействия на состояние природной среды в районе среднего течения р. Лена», где помимо почвенного покрова, проведена оценка состояния основных компонентов наземных экосистем с использованием биогеохимических показателей (Шадрина и др., 2017).
Накопленный за многие годы исследований достаточно объемный материал характеризует содержание как валовых, так и подвижных форм микроэлементов в поч-
вах и почво-грунтах территории долины Туйма-ада, в том числе непосредственно территории города Якутска.
Методика. На основании интерпретации данных многолетних исследований проведен статистический анализ с обобщением имеющихся результатов разных авторов. На основе выборки (п = 1480) подсчитаны средние геометрические значения, которые отражают региональные (п = 112) и локальные (п = 21) фоновые характеристики содержания валовых форм микроэлементов в почвах ненарушенных природных ландшафтов. Для подвижных форм микроэлементов общая выборка составила п = 417 проб.
Весь материал отобран и проанализирован по единым общепринятым в почвоведении и агрохимии методикам.
Валовые формы микроэлементов определены методом ПКСА (полуколичественный спектральный анализ), подвижные формы элементов — с применением экстрагента — 1 н. НМОз, на атом-но-абсорбционном спектрометре МГА-915. Для выявления степени превышения норм ПДК использованы санитарно-гигиенические нормативы ГН 2.1.7.2041—06.
Эколого-геохимическая оценка территории проведена с использованием показателя суммарного загрязнения почвенного покрова — Zc (Сает, и др., 1990).
В 2017 г. исследованы березовые и сосновые биотопы как наиболее распространенные биотопы по долине Туймаада, в котором расположен г. Якутск.
Результаты и обсуждение. Превышение установленных нормативов ПДК для валовых форм микроэлементов в выборках образцов почв за разные годы исследований (в 1990—2000-е годы) незначительны. Среди элементов, превышающих фоновые параметры, достаточно широкий спектр, в котором преобладают по коэффициенту встречаемости Р, Сг, Мп и Си. В целом, коэффициенты концентрации относительно регионального фона варьируют в пределах 1,1—1,6 г/ф, а микроэлементный ряд, характеризующий почвы в районе среднего течения р. Лена по содержанию валовых форм, выглядит следующим образом: Р ^ Сг ^ Мп ^ Си ^ Zn ^ Y ^ №> ^ Мо ^ аб.
При этом каждая выборка отличается своей геохимической спецификой, которая в большей степени зависит от качественного состава почвенных проб. Например, выборка 2017 г. характеризуется значительной неоднородностью как по содержанию органики, так и по количеству физической глины. В почвах, отобранных в березовых биотопах, содержание органики и физической глины больше, чем в боровых песках сосняков. Поэтому и микроэлементный ряд, характеризующий выборку 2017 г., отличается: Мо1>6 ^ Си1;5 ^ ^ P—Ge1;2.
По данным 2017 г. в почвах сосняков и березняков установлены значительные различия в содержании валовых форм микроэлементов (таблица).
Содержание микроэлементов в почвах березняков в 2 раза выше, чем в почвах сосняков. При этом необходимо отметить, что коэффициенты концентрации относительно локального фона невысокие. Микроэлементный спектр, характеризующий почвы под березняками, выглядит следующим образом: Мп1 7 4 ^ Р(Сг—Со—№)1 3 ^ ^ Си1 2 ^ Zn(Ti—Li)l 1, в почвах сосняков превышений более полутора раз не установлено.
Накопление столь широкого микроэлементного спектра предопределено почвенными геохимическими условиями, сформированными в березовых биотопах: относительно высоким содержанием органики 1,4—7,8 % масс., вариациями рН 5,8—7,9, преимущественно супесчаным гранулометрическим составом с содержанием физической глины в пределах 14—16 %, что свидетельствует о высокой сорбционной способности почвенного материала. Низкие коэффициенты концентрации характеризуют природное состояние территорий опробования, но при этом содержание микроэлементов в почвах березняков с разной техногенной нагрузкой характеризуется доминированием того или иного микроэлемента. Например, выявлено, что в почвах березняков на территории городских насаждений (скверы) более активно накапливаются Сг, Zn и РЬ.
В целом, почвы мониторинговых площадок города по содержанию валовых форм микроэлементов относительно локального фона характеризуются следующим микроэлементным рядом: РЬ3,5 ^ У2,6 ^ В1,6 ^ ^1,5 ^ Сг1,4 ^ Си1,3.
Содержание валовых форм микроэлементов в разных биотопах
Характеристика выборки Валовое содержание микроэлементов (мг/кг)
и P И V & Mn № Zn Y Pb
Сосняки (и = 14) Березняки (и = 6) Локальный фон (и = 21) 36,8 44,6 38,8 456,9 645,0 504,2 3511,0 3872,9 3610,8 19,4 30,9 22,2 36,3 51,3 40,0 396,1 884,9 498,3 4.1 6.2 4,6 11,4 16,3 12,6 21,4 28,0 23,1 44,9 49,9 46,3 36,7 30,0 34,5 14,9 11,4 13,8
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
I сред. геом. I I мин
Рисунок. Динамика показателя суммарного загрязнения почвенного покрова по годам исследований
(подвижные формы)
В ландшафтно-климатических условиях территории среднего течения р. Лена растения слабо защищают поверхность почвы, которая легко становится достоянием ветра. В городских условиях ветер, перенося огромные массы глинистых, пылеватых и песчаных частиц, способствует разрастанию ареалов загрязнения. На основании этого изучение подвижных форм микроэлементов в почвах является весьма актуальным.
Начиная с 2009 г. на территории города Якутска были заложены мониторинговые точки с отбором проб почв и изучением в них подвижных форм микроэлементов (Сивцева и др., 2011, 2014). В целом, за все годы исследований ряд накопления микроэлементов в урбаноземах на территории г. Якутска соответствует следующей схеме:
Pb3 9 > Zn3 3 > Cu17 > Ni
3
1 , 7
i1 ,2-
Расчет коэффициента концентрации (Кс) относительно регионального фона и норм ПДК для подвижных форм микроэлементов средних содержаний элементов, выявил, что превышения фона наблюдаются по таким элементам, как свинец и цинк до 4 раз, по меди до 2 раз. Относительно норм ПДК превышение наблюдается по свинцу в 2 раза, по цинку в 1,7 раз и по меди в 1,5 раза. По значению коэффициентов встречаемости (№) в почво-грунтах территории г. Якутска абсолютно доминируют свинец и цинк. В целом при интегральной оценке всех геохимических показателей можно с определенной точностью утверждать, что основную экологическую опасность представляют тенденции накопления в грунтах г. Якутска подвижных форм свинца, цинка и меди (Легостаева и др., 2017).
Показатель суммарного загрязнения почвенного покрова на территории города в 2017 г., рассчи-
тан относительно локального фона, за который приняты содержания валовых форм микроэлементов в пробах, отобранных в лесах пригородных территорий (п = 21). Результаты свидетельствуют, что данный показатель для валовых форм находится в пределах допустимой категории загрязнения: Zc = 3,4—14,4. За исключением локальной точки в достаточно нагруженном автотранспортом районе города, где достигает уровня Zc = 21,8, что относится к умеренно-опасной категории загрязнения.
По подвижным формам микроэлементов показатель суммарного загрязнения почвенного покрова находится также в пределах допустимой категории загрязнения (рисунок), но участков с умеренно-опасной и опасной категорией загрязнения в процентном соотношении больше, чем по валовым формам микроэлементов, особенно в центре города.
Максимальные значения достигнуты в локальных точках по городу за счет высоких концентраций, свинца, цинка и меди.
Заключение. Таким образом, по результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: наиболее активно в условиях города Якутска накапливаются такие элементы, как свинец, цинк и медь. Данные элементы относятся к первому и второму классу опасности и являются источником неблагоприятного воздействия как для почвенной биоты, так и для растений. В результате многолетнего мониторинга состояния почв города Якутска можно утверждать, что в целом территория находится в пределах допустимой категории загрязнения, но наблюдаются изменения в сторону ухудшения состояния, поэтому данный вопрос требует дальнейших исследований.
Библиографический список
1. Перельман А. И. Геохимия ландшафта / А. И. Перельман, Н. С. Касимов. — М.: Астрея, 1999. — 768 с.
2. Инженерно-геологические и геоэкологические условия территории Большого Якутска / Отчет НИР ГК РС (Я) ГУП ЯПСЭ / Эверстов Г. Г., Прусаков В. М., Кокшарский М. Г. и др. — Якутск, Сахагеолфонды, 1993.
3. О результатах эколого-геохимических исследований на территории местности Туймаада / Отчет НИР ГКРС (Я) ГУП ЯПСЭ / Кокшарский М. Г., Терентьев В. Н., Легостаева Я. Б. и др. — Гос. регистрационный № 45-95-10/78, Якутск, 1998.
4. Влияние некоторых производственных объектов на состояние почво-грунтов территории г. Якутска / Отчет НИР ИПЭС АН РС (Я) по теме: «Экологический мониторинг долины Туймаада» / Ответ. исполнитель Я. Б. Легостаева. — Якутск, 2002.
5. Экологический мониторинг долины Туймаада / Отчет НИР ФГНУ ИПЭС / ответ. исполнитель Саввинов Г. Н. и др., — Якутск, ИПЭС АН РС (Я), 2005.
6. Изучение антропогенного воздействия на состояние природной среды в районе среднего течения р. Лена / Отчет НИР АН РС (Я) / Шадрина Е. Г. и др. Якутск, 2017. — 142 с.
7. Сает Ю. Е., Ревич Б. А., Янин Е. П. Геохимия окружающей среды / Москва, Недра, 1990. — 335 с.
8. Сивцева Н. Е., Легостаева Я. Б., Макаров В. С., Васильев Н. Ф. Экологическая оценка состояния территории г. Якутска по суммарному показателю загрязнения почвенного покрова // Вестник СВФУ № 2, Якутск, — 2011. С. 30—35.
9. Сивцева Н. Е., Легостаева Я. Б. Мониторинговые исследования почвенного покрова г. Якутска // Биоразнообразие: глобальные и региональные процессы / Материалы Всероссийской конференции молодых ученых. Улан-Уде, 2013. С. 164—165.
10. Сивцева Н. Е. Эколого-геохимический мониторинг территории г. Якутска // Материалы Всероссийской научной конференции «Химическое и биологическое загрязнение почв» / Товарищество научных изданий КМК. — Пущино: 2018. — С. 138—140.
11. Легостаева Я. Б., Сивцева Н. Е., Ксенофонтова М. И. Эколого-геохимическая специфика формирования урбоэко-систем / Прикладные экологические проблемы г. Якутска: сборник научных трудов. — Новосибирск: Наука, 2017. — С. 55—64.
GEOCHEMICAL STUDIES OF ANTHROPOGENICALLY MODIFIED SOILS OF YAKUTSK
N. E. Sivtseva, Ph. D. (Biology), Research Assistant, Arctic Research Center of the Academy of Sciences Republic of Sakha
(ARC AS RS), Sivnatalia81@mail.ru, Yakutsk, Russia
References
1. Perelman A. I. Geohimiya landshafta [Geochemistry of landscape]. A. I. Perelman, N. S. Kasimov. Moscow, Astreya. 1999. 768 p. [in Russian]
2. Inzhenerno-geologicheskie i geoekologicheskie usloviya territorii Bolshogo Yakutska. [Geotechnical and geoecological conditions of the territory of the Greater Yakutsk]. Research report. Yakutsk, Sahageolfondy, 1993. [in Russian]
3. O rezultatah ekologo-geohimicheskih issledovanij na territorii mestnosti Tujmaada [On the results of ecological and geochem-ical studies in the territory of Tuymaada]. Koksharskiy M. G., Terentev V. N., Legostaeva Ya. B. Research report. Gos. reg-istracionnyj № 45-95-10/78, Yakutsk, 1998. [in Russian]
4. Vliyanie nekotoryh proizvodstvennyh obektov na sostoyanie pochvo-gruntov territorii g. Yakutska [The influence of some production facilities on the state of the soil of the territory of Yakutsk]. IPES AN RS (Ya) po teme: "Ekologicheskij monitoring doliny Tujmaada" / research report by Ya. B. Legostaev. Yakutsk, 2002. [in Russian]
5. Ekologicheskij monitoring doliny Tujmaada [Environmental monitoring of the bottom land Tuymaada]. Research report of FGNU IPES / Savvinov G. N. et al. Yakutsk, IPES AN RS (Ya), 2005. [in Russian]
6. Izuchenie antropogennogo vozdejstviya na sostoyanie prirodnoj sredy v rajone srednego techeniya r. Lena [The study of anthropogenic impact on the state of the environment in the middle of the river Lena]. Research report AS RS / Shadrina E. G. et al. Yakutsk, 2017. 142 p. [in Russian]
7. Saet Yu. E., Revich B. A., Yanin E. P. Geohimiya okruzhayushej sredy [Environmental Geochemistry]. Moscow, Nedra, 1990. 335 p. [in Russian]
8. Sivtseva N. E., Legostaeva Ya. B., Makarov V. S., Vasilev N. F. Ekologicheskaya ocenka sostoyaniya territorii g.Yakutska po summarnomu pokazatelyu zagryazneniya pochvennogo pokrova [Ecological assessment of the state of the territory of Yakutsk in terms of total pollution of the soil cover]. Vestnik NEFU. No. 2. Yakutsk. 2011. P. 30—35. [in Russian]
9. Sivtseva N. E., Legostaeva Ya. B. Monitoringovye issledovaniya pochvennogo pokrova g. Yakutska [Monitoring studies of the soil cover of Yakutsk]. Ulan-Ude. 2013. P. 164—165. [in Russian]
10. Sivtseva N. E. Ekologo-geohimicheskij monitoring territorii g. Yakutska [Ecological and geochemical monitoring of the territory of Yakutsk]. Moscow, Pushino, 2018. P. 138—140. [in Russian]
11. Legostaeva Ya. B., Sivtseva N. E., Ksenofontova M. I. Ekologo-geohimicheskaya specifika formirovaniya urboekosistem. [Ecological and geochemical specificity of the formation of urban ecosystems]. Novosibirsk, Nauka, 2017. P. 55—64. [in Russian]
