CC BY
26
УДК 504.064.2.001.18
Осипова Н.А., Кудрявцева М.Г., Язиков Е.Г.
ГЕОХИМИЯ ПОЧВ ГОРОДСКИХ ПОСЕЛЕНИЙ ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ КУЗБАССА
Осипова Нина Александровна, к.х.н., доцент отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов; e-mail: osipova@tpu.ru
Кудрявцева Мария Геннадьевна, студент 2 курса магистратуры Инженерной школы природных ресурсов; Язиков Егор Григорьевич, д.геол.-мин.наук, профессор отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов.
Томский политехнический университет, Томск, Россия.
В данной статье рассматриваются эколого-геохимические особенности почв и их элементный состав, как среды, поддержание надлежащего состояния которой необходимо для устойчивого и стабильного развития региона.
Ключевые слова: почва, коэффициент концентрации, химические элементы, угольная промышленность, геохимические ассоциации.
GEOCHEMISTRY OF SOILS OF URBAN SETTLEMENTS IN THE SOUTH-EASTERN PART OF KUZBASS
Osipova Nina Aleksandrovna, Kudryavceva Mariya Gennad'evna, Yazikov Egor Grigor'evich
Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia.
This article discusses the ecological and geochemical features of soils and their elemental composition as an environment, the maintenance of which is necessary for the sustainable and stable development of the region. Keywords: soil, concentration coefficient, chemical elements, coal industry, geochemical associations
Введение. Постановка задачи. Оценка и оптимизация почв как земельного ресурса, обеспечивающего благосостояние населения, как среды, с которой непосредственно контактирует человек при различных видах деятельности, в том числе бытовых, выявление пространственной и временной изменчивости в ее состоянии, представляется актуальным в ситуации активного землепользования, антропогенного вмешательства в природные системы. Развитие городов как благоприятной среды обитания человека, без чего немыслимо устойчивое развитие городской среды, подразумевает систематический контроль и наблюдение за состоянием компонентов природных сред, в том числе и почв городских территорий. Исследование проведено на территории города, где в непосредственной близости расположено большое число угледобывающих предприятий. Угледобывающая подотрасль занимает важное место в структуре энергетической отрасли. Главенствующая роль угля по сравнению с другими видами топлива в перспективе сохраняется до 2040 г., однако экологические ограничения приведут к заметному замедлению темпов роста угледобычи и снижению его доли в топливном балансе [1]. Эколого-геохимическая ситуация в городах в зоне влияния разнопрофильных промышленных предприятий изучается давно, и исследователи отмечают геохимическую специализацию
почвенного покрова в результате влияния разноотраслевых предприятий. Так, выявлены элементы-индикаторы состояния почвенного покрова угледобывающих регионов: Zr, As, Ta, Y,
Au, S о бщ., S сульфид., Собщ., Сорг., Sc, Sb, Щ Ce,
Be [2]. Что касается тяжелых металлов, то следует отметить, что в этом перечне присутствуют
элементы первого (As) и второго ^^ классов опасности.
Целью исследований явилось выявление геохимических особенностей почв угледобывающих регионов, выяснение взаимосвязи геохимических особенностей почв с функциональным назначением территории (на примере города Междуреченск Кемеровской области). Со всех сторон город окружают угледобывающие предприятия, на которых добыча угля ведется открытым и закрытым способом. Пробы отобраны в юго-западной части города, не опробованной ранее, примыкающей к промышленной зоне. Непосредственно на ее территории располагаются жилые крупнопанельные дома и частные дома, где люди занимаются выращиванием сельско-хозяйственной продукции, школа. Также на исследуемой территории располагаются котельная, примыкает крупная автотранспортная и железнодорожная магистраль. Методика эксперимента, обработка результатов. Пробы почв (28 проб) были отобраны методом конверта в октябре 2018 г в поверхностном слое, на глубине 3-10 см, просушены, освобождены от крупных инородных частиц и подготовлены к анализу в полном соответствии с ГОСТ 17.4.4.022017. Анализ проб проводили методом инструментального нейтронно-активационного анализа с облучением тепловыми нейтронами на исследовательском ядерном реакторе ТПУ по аттестованным методикам под руководством старшего научного сотрудника А.Ф. Судыко. Обработка результатов выполнена на языке программирования R, специально предназначенном для проведения статистических расчетов [3, 4]. Результаты и их обсуждение. На рисунке 1 дана полная статистическая характеристика
анализируемой совокупности проб почв. Длина стороны прямоугольника соответствует
показателю разброса содержаний, высота прямоугольника - диапазон значений содержаний между нижним (25 квантиль) и верхним (75 квантиль) квартилями. Линия внутри прямоугольника показывает медианное или среднее арифметическое значение, в зависимости от характера распределения. Содержание таких элементов как Ca, Sc, As, Rb, Cs, Ba, Ce, Ш, Sm, Eu, ТО, Yb, Lu, Hf, Ta и Th подчиняется нормальному закону распределения, а содержание &, Fe, Zn, Br, Sr, Sb, La, U имеет логнормальное распределение. Точки за пределами прямоугольников показывают аномальные содержания. Равномерное распределение элементов в пробах характерно для Бе, Со, Ва, Ьа, Се, Бш, Ей, УЬ, Ьи, ИГ, ТЬ, неравномерное для Са, Сг, Бе, 2п, А8, Вг, ЯЬ, С8, Ш, ТЬ, Та, и, крайне неравномерное -для БЬ (коэффициенты вариации для трех групп
элементов лежат в интервалах < 35%, 35 - 80 %, > 80%, соответственно).
Сравнение этих данных с ранее проведенными исследованиями [5], показывает, что средние содержания большинства элементов находятся на уровне средних значений по городу. Вместе с тем наблюдается превышение средних содержаний Ва, БЬ, Се, и понижение средних содержаний Сг, Бг, и, по сравнению со средними значениями по городу. Интересен тот факт, что в пробах почв, отобранных вдоль реки Томь, которые тоже попадают в рассматриваемый регион, но эти участки отделены от застроенной территории лесополосой или кустарником, не наблюдается аномально высоких содержаний элементов. Эрозионно-аккумулятивная деятельность потоков вод рек влияет на свойства пойменных почв в целом, а миграция веществ, как в виде растворов, так и в виде твердого стока из прилегающих к ним автономных и транзитных ландшафтов определяет геохимические свойства
ТЬ
Та
ЗЬ
-СЕ
N3
1и
Ей
Вг |
Да I
N(1 •
—НОСЯ"
Са
-ш-
ю> —СЕ -СПЪ
Со
-СИ—
—СЛ-
Сг * * -Ш—
"-ОН
Се * -
А* I I
1С"1
10"
10'
Сопсеп1га(шп
10?
10
Таблица 1. Коэффициенты концентрации химических элементов в почвах юго-западной части г.
\1 а ' ■ Л1 л лили " *1 -
Бт Се Са Ьи и ТЬ Сг УЬ Ди М Ва Бг №
Сред. 1,0 1,1 0,4 0,7 0,7 0,8 0,4 1,0 0,1 1,3 1,2 0,3 0,9
Макс. 1,6 1,9 0,8 1,2 1,5 1,5 0,9 1,7 1,4 2,1 1,7 2,2 1,6
Мин. 0,5 0,6 0,2 0,5 0,3 0,4 0,2 0,6 0,1 0,7 0,7 0,1 0,0
Дб Вг Сб ТЬ Бс Ре 2п Та Со № Еи Ьа БЬ
Сред. 0,8 0,3 0,7 0,6 0,8 1,0 3,3 0,8 1,0 0,6 1,1 0,9 3,1
Макс. 1,5 0,9 2,0 1,1 1,1 3,2 14,8 2,2 1,6 1,0 1,7 1,6 29,0
Мин. 0,2 0,0 0,0 0,0 0,4 0,4 1,5 0,1 0,5 0,2 0,3 0,5 0,5
*Коэффициенты концентрации рассчитаны относительно кларков элементов в верхней части континентальной земной коры [6].
Рис. 1. Статистическая характеристика анализируемой совокупности проб почв г. Междуречнска (28 проб)
Техногенная геохимическая специализация почв элементов в верхней части континентальной земной проявляется в повышенных уровнях накопления Zn коры, по Григорьеву [6], как показано в таблице 1. (КК = 3,3), Sb (КК = 3,1) относительно кларков
При расчете коэффициентов концентраций в случае установления ураганных (аномально высоких) концентраций химических элементов в почвах они были заменены на содержания, отвечающие требованиям их принадлежности к анализируемой выборке. Анализ максимальных значений коэффициентов концентрации позволяет выявить несколько участков территории, которые характеризуются высоким уровнем накопления Sb (КК = 29,0), Zn (КК = 14,8), повышенным уровнем накопления Sm, Ce, и, Т^ Yb, Ж, Ba, Sr, Ш, As, Cs, Та, Со, Ей, La (КК=1,5-2,2). Это те участки опробования, где располагаются котельная, где близка крупная автомобильная дорога. Выявленные химические элементы можно определить как элементы-индикаторы для территорий, подверженных влиянию выбросов от сжигания топлива. Выявленные элементы-индикаторы с высокой долей вероятности отражают геохимическую специализацию используемых углей. Угли Кузнецкого бассейна обогащены Zn, Ва, V, Ni, Со, Си и другими микроэлементами [7], которые при высокотемпературном сжигании угля могут поступать в составе ультра мелких твердых частиц в атмосферный воздух, а далее депонироваться в почвах. Не исключено влияние на состав почв предприятий металлообработки и ремонтных автобаз. Превышение содержаний цинка связано с истиранием шин автомобилей. Превышения содержаний элементов относительно ПДК выявлены для Zn (до 12 раз) и Сг (до 10 раз) в почвах во всех точках.
Сурьма концентрируется в составе каменного угля, загрязнение почв техногенной сурьмой происходит при сжигании угля [9]. Много цинка содержится в золе ТЭЦ, сжигающих уголь, а также в шлаках от сжигания твердых бытовых отходов [10]. Однако в целом, суммарный показатель загрязнения, рассчитанный по коэффициентам концентрации относительно кларков элементов в верхней части континентальной земной коры, по Григорьеву, составляет 6,1, что позволяет оценить уровень загрязнения как низкий. В точках с максимальным накоплением ряда элементов, в первую очередь, сурьмы и цинка, суммарный показатель загрязнения имеет значения 38,4; 24,3, уровень загрязнения в этих районах, в соответствии с классификацией Саета Ю.Е, рассматривается как высокий. Пространственно эти пробы расположены вблизи котельных.
По мере распространения аэротехногенных шлейфов от объектов по добыче и переработке угля частицы угольной пыли осаждаются из воздуха на депонирующие природные среды. В результате в почвах, как в основной депонирующей среде, накапливается широкий спектр химических элементов, содержащихся в угольной пыли и продуктах сгорания углей. Геохимические особенности почв г. Междуреченск, формируемые под влиянием добычи угля, соответствуют
геохимической специализации добываемых углей. Известно, что угли, добываемые на разрезах вблизи г. Междуреченск (Ольжерасский, Красногорский, Сибиргинский, Междуреченский), в 2 и более раз обогащены Mn, Nb, Be, Zr, Mo, Y, As, Sr, Ni,Pb, Cu, Li, Sn, Ti, Zn, P, Ba, Hf, Ga, Tb, V, Co, Lu, Ta, Sm, Eu относительно среднего состава каменных углей. Другим основным источником поступления химических элементов в почвы г. Междуреченск является депонирование пылевых выбросов местных угольных котельных.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта РФФИ № 20-05-00675 А Исследования выполнены в НИ ТПУ в рамках программы повышения конкурентоспособности НИ ТПУ среди ведущих мировых исследовательских центров
Список литературы
1. Российский и международный рынок угля [Электронный ресурс] // Федеральный научно-практический журнал «Уголь Кузбасса». Кемерово, 2016. URL: http://www.uk42.ru/index.php?id=3445 (дата обращения 08.06.2020).
2. Язиков Е.Г., Таловская А.В., Жорняк Л.В. Оценка эколого-геохимического состояния территории г. Томска по данным изучения пылеаэрозолей и почв: монография. - Томск: Изд-во ТПУ, 2010. - 264 с.
3. R Core Team. R: A language and environment for statistical computing. //R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria, 2018. URL: https://www.gbif.org/ru/tool/81287/r-a-language-and-environment-for-statistical-computing (дата обращения 08.06.2020).
4. Wickham, H. ggplot2: elegant graphics for data analysis // Journal of Statistical Software. -Springer-Verlag, New York, 2009. - Volume 35, Book Review 1. - 213 p.
5. Полякова Ю. А. Эколого-геохимическое исследование почв индустриальных районов Кузбасса // Проблемы геологии и освоения недр: Труды XXII Международного симпозиума имени академика М.А. Усова. - Томск, 2018. -Т.1. - С. 836-838.
6. Григорьев Н.А. Распределение химических элементов в верхней части континентальной коры.- Екатеринбург: УрО РАН, 2009. - 382 с.
7. Арбузов С. И. Металлоносность углей Сибири // Известия Томского политехнического университета. - 2007. - Т. 311. - №1. - С. 77-83.
8. Водяницкий Ю.Н. Состояние и поведение природных и техногенных форм As, Sb, Se, Te в рудных отвалах и загрязненных почвах (обзор литературы) // Почвоведение. - 2010. - № 1. - С. 37-46.
9. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов.- М.: Экология, 1996. - Кн. 3. - 351 c.
