CC BY
210
3. Нижней временной границей географической оболочки Земли является катархей.
Литература
1. Григорьев A.A. Предмет и задачи физической географии // На методологическом фронте географии и экономической географии. М.;Л., 1932. С.49-50.
2. Броунов П.И. Курс физической географии. СПб., 1910. С.1-2 .
3. Колесник С.В. Основы общего землеведения. М.: Учпедгиз, 1955.472 с.
4. Анучин В.А. Теоретические проблемы географии. М., 1960. С. 120-124.
5. Щукин И.С. Четырехязычный энциклопедический словарь терминов по физической географии. М.: Сов. энцикл., 1980. 704 с.
6. Марков К.К. Введение в физическую географию. М., 1978. 191 с.
7. Мильков Ф.Н. Ландшафтная сфера Земли. М., 1970. 312 с.
8. Арманд Д.Л. Наука о ландшафте. М.: Мысль, 1975. 288 с.
9. Рябчиков А. М. Структура и динамика геосферы, её естественное развитие и изменение человеком. М., 1972. С. 101-102.
10. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1978. 320 с.
11. Монин A.C. История Земли. М.: Мысль, 1977. 228 с.
АРЧИКОВ ЕМЕЛЬЯН ИВАНОВИЧ родился в 1925 г. Окончил Московский государственный университет. Доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой физической географии и геоморфологии Чувашского государственного университета. Область научных интересов - физическая география, геоморфология, ландшафтоведение. Имеет более 150 научных работ.
НИКОНОРОВА ИННА ВИТАЛЬЕВНА родилась в 1969 г. Кандидат географических наук, доцент кафедры физической географии и геоморфологии Чувашского государственного университета. Область научных интересов - физическая география, геоморфология, ландшафтоведение. Имеет более 35 научных работ.__________________________ _____________________________________
УДК 502. 521(470.344)
А.Н. КОЛЬЦОВА, В.В. СИРОТКИН
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ЧУВАШСКОЙ РЕСПУБЛИКИ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
Тяжелые металлы (т.е. металлы, имеющие атомную массу больше 40 г и плотность более 5 г/см3), относятся к числу важнейших загрязнителей почвы. Это связано с биологической активностью многих из них [12]. В ряду тяжелых металлов они необходимы для жизнеобеспечения человека и других живых организмов и относятся к так называемым биогенным элементам. К ним относятся марганец, молибден, селен и другие, которые содержатся в организме в малых количествах в виде комплексов с белками, аминокислотами и другими биологически активными соединениями [11]. При попадании в организм избытка таких
металлов происходит нарушение его функций. Степень воздействия зависит не только от концентрации, превышающей некоторый уровень, но и от природы металла, прежде всего его комплексообразующей способности. Другие металлы вызывают противоположный эффект и, попадая в живой организм, приводят к его отравлению или гибели [4]. Такие металлы-токсиканты могут вытеснять биогенные металлы и связывать с собой биологически активные соединения, используемые для синтеза жизненно важных ферментов. Эти металлы относят к классу ксенобиотиков, т.е. чуждых живому. Среди металлов-токсикантов существует приоритетная группа: ртуть, свинец, цинк, кадмий, медь, мышьяк, никель и хром - наиболее опасные для здоровья человека и животных. Таким образом, физиологическое действие металлов на организм человека различно и зависит от их природы, типа соединений, в виде которых они существуют в природной среде, а также их концентрации. Тяжелые металлы поступают в организм человека и животных вместе с растительной и животной пищей, физиологические свойства которой во многом определяются типом почв и степенью их загрязнения этими металлами. В связи с этим представляет интерес исследование распространения и степени загрязнения почвы тяжелыми металлами.
Нами были проведены исследования по содержанию наиболее распространенных тяжелых металлов (хрома, меди, марганца, никеля, свинца, цинка и кобальта) в почвах Чувашской Республики в зависимости от типа последних и степени загрязнения почв этими металлами за счет влияния естественных и антропогенных факторов. Необходимость проведения такой работы определялась тем, что подобные исследования проводились более 20 лет назад [2, 3, 5, 7] и в основном были посвящены установлению взаимосвязи между содержанием металлов и типами почв [5, 7], а также влиянию естественных факторов на уровень загрязнения почв тяжелыми металлами [2, 3]. Следует отметить работу [1], в которой изучены изменения во времени морфологических и агрохимических свойств почв, расположенных в различных почвенно-климатических условиях Чувашской Республики. В этой же работе приведены данные, собранные 8-10 лет назад, по накоплению некоторых тяжелых металлов (в основном меди, цинка, кадмия и свинца) в почве и растениях, растущих на территории нашей республики. Представляют также интерес основные закономерности действия различных металлов на живые организмы и их биологическая роль в зависимости от содержания в различных типах почв субрегионов республики, изученные в работах [9, 10]. Следует отметить, что согласно ГОСТ 17.41.02-83 тяжелые металлы делятся на три класса опасности. Из исследованных нами металлов к первому классу опасности относятся свинец и цинк, ко второму - хром, медь, никель, кобальт и к третьему - марганец. Металлы первого и второго классов обладают меньшими величинами предельно допустимой концентраций (ПДК). Более токсичными являются металлы первого класса, менее токсичны - металлы третьего класса. Для металлов всех классов загрязнение почвы считается допустимым при содержа-
нии этих металлов, не превышающем их ПДК. Загрязнение почвы считается умеренным при превышении ПДК не более чем в два раза (для металлов первого класса), в пять раз (для металлов второго класса) и в десять раз (для металлов третьего класса). При содержании металлов первого, второго и третьего классов, не превышающем их ПДК соответственно в три, десять и пятнадцать раз загрязнение становится опасным. При большем содержании металлов загрязнение считается чрезвычайно опасным.
На рис. 1-7 приведены составленные нами карты загрязненности почв различными тяжелыми металлами, которые сопоставлялись с почвенной картой Чувашской Республики (рис. 8). '
Проведенные исследования показывают, что уровень содержания тяжелых металлов зависит от почвообразующих горных пород и типов сформировавшихся на их основе почв. Так, наибольшее содержание хрома наблюдается в почвах, образованных на базе основных пород. Это подтверждается данными по почвам Чувашской Республики: в черноземных и серых лесных почвах обнаружено большее, а в песчано-подзолистых и дерново-подзолистых почвах - меньшее содержание хрома. В целом же наблюдается
невысокое содержание хрома в почвах Чувашской Республики, достаточное для роста и развития растительных организмов и животных.
Почвы, образованные на основе изверженных пород, на покровных и лесовидных суглинках (как правило, черноземах), содержат медь в больших количествах, чем остальные типы почв (песчанные, дерново-подзолистые и серые лесные). Оптимальному содержанию меди соответствуют почвы Прикубнино-Цивильского субрегиона. Почвы Присурского субрегиона характеризуются сниженным ее содержанием. В целом в большинстве почв Чувашской Республики содержание меди достачно для нормального развития растений и животных.
Уровень содержания марганца в почвах Чувашской Республики также незначителен: среднее его содержание наблюдается в песчано-подзолистых почвах, а повышенное - в серых лесных и дерново-подзолистых почвах. Эти результаты согласуются с данными работы [5], в которой наибольшее содержание марганца обнаружено в почвах Приволжского субрегиона.
Средним содержанием никеля в почвах считается 30-50 мг/кг [11]. В исследованных нами почвах сравнительно высокое его содержание наблюдается в серых лесных в комплексе с дерново-карбонатными почвах юго-востока республики, входящих в Прикубнино-Цивильский субрегион.
Содержание свинца во всех почвах Чувашской Республики не превышает отметки 70 мг/кг, являющейся максимальной концентрацией природного свинца в почвах [13]. Полученные нами данные согласуются с результатами [ 1 ] по содержанию свинца в пахотных землях, а также с данными исследования [9] по его содержанию в пищевых продуктах растительного происхождения, выращенных на различных типах почв.
Рис.1. Содержание хрома в почвах (мг/кг) Чувашской Республики (масштаб 1: 4000000): ШЮШ - от 6; 4-6;
2-4; '0-2
Рис.2. Содержание меди в почвах (мг/кг) Чувашской Республики (масштаб 1:4000000):
6 12,’ 0-6 ’
1
Рис.З. Содержание марганца почвах (мг/кг) Чувашской Республики (масштаб 1: 4000000):
- от 90; 60 - 90;
30-60; : 0-30
Чувашской Республики (масштаб 1: 4000000):
- от 200; 50-100;
100-200;
0-50
1 )1| т' ^
Рис.5. Содержание свинца в почвах (мг/кг) Рис.6. Содержание цинка в почвах (мг/кг)
Чувашской Республики (масштаб 1: 4000000): Чувашской Республики (масштаб 1: 4000000):
- от 90; 30-60;
60 - 90; 0-30
- от 12; 4-8;
12;
°~4
ЗМЕЯ8®5“0*
Рис.7. Содержание кобальта в почвах (мг/кг) Рис.8. Почвенная карта (типы почв)
Чувашской Республики (масштаб 1: 4000000): Чувашской Республики
...- от 6; 4-6; (масштаб 1:6000000):
2-4* 0-2 аллювиальные дерновые и кислые;
подзолистые и дерново-подзолистые; 11.11 И]светло-серые лесные;
ЯВИ болотные верховые;
•г-.-.'л-! черноземы;
темно-серые лесные;
; серые лесные и дерново-карбонатные
Распределение цинка не превышает его ПДК во всех типах почв Чувашской Республики. Наибольшее его содержание наблюдается в серых лесных в комплексе с дерново-подзолистыми и дерново-карбонатными почвах, которые преобладают в северной части Приволжского, центральной части Прикубнино-Цивильского и юго-западной части Присурского субрегионов.
Допустимое содержание кобальта наблюдается практически во всех почвах Чувашской Республики. Причем в ряду черноземы-серые лесные-дерново-подзолистые почвы происходит понижение его концентрации, что согласуется с результатами исследований, приведенными в работе [5]. По мере движения с юга на север республики, соответственно, через Прикубни-но-Цивильский, Присурский и Приволжский субрегионы происходит снижение содержания кобальта в почвах.
В результате естественных и антропогенных факторов происходит возрастание концентрации тяжелых металлов в поверхностных слоях почвы. Одними из основных естественных источников поступления тяжелых металлов в почву являются атмосфера и вода. Из атмосферы в почву тяжелые металлы попадают чаще всего в форме оксидов, где постепенно растворяются, переходя в гидроксиды, карбонаты или в форму обменных катионов. Почвы, богатые гумусом (тяжелосуглинистые, глинистые и черноземы), прочно связывает тяжелые металлы, что предохраняет от загрязнения грунтовые, питьевые воды и растительность. Такие почвы постепенно становятся все более загрязненными и в какой-то момент происходит разрушение органического вещества почв с выбросом тяжелых металлов в почвенные растворы. В итоге эти почвы становятся непригодными для сельскохозяйственного использования. Почвы песчаные и с малым содержанием гумуса устойчивы против загрязнения. Они слабо связывают тяжелые металлы, легко отдают их растениям или пропускают через себя с фильтрующимися водами. На таких почвах возрастает опасность загрязнения растений и подземных вод. Поэтому легко загрязняющиеся почвы предохраняют окружающую среду, а почвы, устойчивые к загрязнению, не обладают защитными свойствами.
В природных поверхностных водах содержится множество органических веществ, до 80% которых составляют высокоокисленные полимеры типа гумусовых веществ, проникающих в воду из почв [8]. Остальная часть органических веществ, растворимых в воде, представляет собой продукты жизнедеятельности организмов (полипептиды, полисахариды, жирные и аминокислоты) и подобные им по химическим свойствам примеси антропогенного происхождения. Большинство из них и продукты их превращения в водной среде являются комплексообразующими реагентами, связывающими ионы металлов в комплексы и уменьшающими токсичность воды и почвы. Для оценки сопротивляемости внешнему токсическому воздействию используется понятие «буферная емкость», под которой понимают такое количество металла-токсиканта, поступление которого практически не нарушает естественного характера функционирования экосистемы. Различные поверхностные воды по-разному связывают ионы металлов-токсикантов, проявляя при этом разную буферную емкость. Так, воды южных
озер, рек и водоемов, обладающих большим набором гумусовых веществ, имеют большую буферную емкость, чем воды северных водоемов. Поэтому содержание металлов наименьшее в почвах, омываемых водами, насыщенными гумусовыми веществами.
К естественным источникам распространения тяжелых металлов в почве также относятся метеорологические особенности местности, геохимические факторы и ландшафтная обстановка. Источник загрязнения определяет качество и количество выбрасываемого продукта: чем больше расстояние проходит выброс, тем ниже становится его концентрация. С увеличением скорости ветра происходит разбавление выброса воздушной массой и уменьшение степени загрязнения единицы площади почвы. При ослаблении ветра концентрация загрязнителей вблизи источника возрастает. Влажность воздуха также влияет на распределение продуктов выбросов. Частицы выбросов при высокой влажности конденсируют на себя их влагу, что увеличивает их размеры и массу. Это приводит к выпадению выбросов на земную поверхность вблизи источника загрязнения. Повышенное содержание металлов в почвах может наблюдаться на расстоянии до 3 км от источника загрязнения. По мере удаления источников загрязнения содержание металлов уменьшается и на расстоянии 10-15 км приближается к фоновому уровню. Глубина проникновения тяжелых металлов в почву, как правило, не превышает 20 см. При сильном загрязнении они могут проникать до 160 см и возникает опасность поступления тяжелых металлов в виде водорастворимых форм в грунтовые воды. Для почв, расположенных вне зоны влияния источников загрязнения, свойственно равномерное распределение тяжелых металлов
Проведенные нами исследования привели к выводу, что основными источниками поступления тяжелых металлов в почвы Чувашской Республики являются антропогенные: выбросы предприятий черной и цветной металлургии, машиностроения, электротехнической промышленности, электростанций и котельных, сжигающих уголь и мазут, автомобильные выбросы, средства химизации сельского хозяйства, а также кислотные дожди, приводящие к растворению минералов и пород. Все они вызывают значительно большее увеличение содержания металлов-загрязнителей в почвах по сравнению с естественными источниками. Анализ почв городов Чебоксары, Новочебоксарск, Канаш, Алатырь, Вурнары, Шумерля, а также районных центров Моргауши, Батырево, Янтиково и Урмары привел к следующим результатам. Наибольшее содержание хрома наблюдается в почвах города Чебоксары. Концентрации меди и свинца также достигают наибольших величин в почвах столицы республики. Содержание марганца невысокое как в городах, так и в районных центрах. Локализация никеля за счет антропогенных факторов наблюдается не только в городах, но и в районных центрах Моргауши, Урмары и Янтиково. Допустимое содержание цинка и кобальта наблюдается в почвах городов и районных центров республики. Таким образом, содержание всех семи исследованных металлов в почвах республики, не подверженных антропогенному воздействию, не превышает отметки «умеренное загрязнение». Почвы же, находящиеся на территории густо населенных пунктов с
развитой промышленностью, по содержанию некоторых тяжелых металлов (никеля и свинца) следует отнести к опасно загрязненным.
Предотвращение загрязнения почв тяжелыми металлами является одной из наиболее важных проблем геоэкологии. В условиях Чувашской Республики перспективными направлениями в решении этой проблемы являются создание замкнутых технологических систем и организация безотходных производств. Другое направление - создание высокоэффективных очистных сооружений, установка и эксплуатация которых требуют больших материальных затрат, но эти затраты необходимы во имя здоровья человека и благосостояния окружающей среды. Сложной проблемой является предотвращение загрязнения почвы свинцом в результате выхлопа автомобильных двигателей. Простое уменьшение количества свинца в бензине является неэффективным, так как оно приведет к снижению мощности двигателей и увеличению выброса другого загрязнителя - монооксида углерода. Перспективным направлением является конструирование двигателей и каталитических дожигателей топлива, не отравляемых свинцом или работающих на неэтилированных бензинах и предотвращающих попадание вредных веществ в атмосферу и почву.
Наряду с предупредительными важное значение имеют меры по ликвидации уже существующих загрязнений. Почвы, загрязненные тяжелыми металлами, очистить довольно сложно. Существуют различные способы, один из них - засеивать такие почвы быстрорастущими культурами (клевер, люцерна), дающими большую зеленую массу. Эти культуры извлекают из почвы токсичные элементы, а затем собранный урожай уничтожается. С другой стороны можно снизить подвижность ионов тяжелых металлов и поступление их в растения, если повысить основность почв известкованием или добавлять в них большие дозы органических веществ, например торфа. Применение глубокой вспашки также может быть применено для ликвидации загрязнения тяжелыми металлами верхнего слоя почвы. При вспашке верхний загрязненный слой почвы опускается на глубину до 70 см, а глубокие ее слои поднимаются на поверхность.
В целом территория Чувашской Республики является экологически благополучной, что в немалой степени определяется содержанием тяжелых металлов в трех ее субрегионах: Прикубнино-Цивильском (центральная и восточная части республики), Присурском (южная и юго-западная части республики) и Приволжском (северная часть республики). В Прикубнино-Цивильском субрегионе в основном распространены серые лесные почвы, а также чернозем на юговосточной его части. В этих почвах наблюдается невысокое содержание большинства тяжелых металлов. Территория Присурского субрегиона лесная, расположенная на песчано-подзолистых почвах с участками черноземных и торфяноболотистых почв. Для почв этого субрегиона также характерно невысокое содержание тяжелых металлов. Почвы Приволжского субрегиона являются дерново- и песчано-подзолистыми, а также глинистыми, в которых наблюдается умеренное содержание тяжелых металлов. Основная часть почвенного покрова Чувашской Республики обладает средней устойчивостью к антропогенным воздей-
ствиям. Однако в последние 10-15 лет в основном из-за водной эрозии произошло уменьшение площадей кислых почв и понижение содержания в них гумуса, что привело к снижению устойчивости почв к антропогенному воздействию. Особенно это характерно для почв Приволжского субрегиона, в котором размещены крупные города и населенные пункты с развитой промышленностью.
Таким образом, основными источниками загрязнения почв Чувашской Республики тяжелыми металлами являются антропогенные факторы, которые в наибольшей мере проявляются в городах и районных центрах с развитой промышленностью. Урбанизация общества приводит к все более неравномерному распределению тяжелых металлов в почвах. Поэтому важнейшими задачами геоэкологии являются контроль и оптимальное регулирование распределения тяжелых металлов, а также разработка эффективных предупредительных и ликвидационных мер по устранению загрязнений почвы этими металлами.
Литература
1. Агроэкологический мониторинг пахотных земель и растениеводческой продукции в условиях Чувашской Республики / Егоров В.Г., Мутиков В.М., Янеев Г.П. и др. Чебоксары: РГУП «ИПК "Чувашия"», 2002. 123 с.
2. Андреев СИ. Почвы Чувашской АССР. Чебоксары: Чувашкнигоиздат, 1971. 355 с.
3. Голубев И.М., Романова В.Г., Меркулов H.H. Труды УСХИ. Ульяновск, 1972. Т. 17. Вып. 8.
С. 56-62. ’
4. Давыдова С.Л. О токсичности ионов металлов. М.: Знание, 1991. 32 с.
5. ДаутовР.К., Минибаев В.Г., Калимуллина С.Н. Микроэлементы в почвах Чувашской АССР и рациональное использование микроудобрений. Чебоксары: Чувашкнигоиздат, 1979. 61 с.
6. МалюгаДП. Биогеохимический метод поиска рудных месторождений. М.: Наука, 1963. 112 с.
7. Михайлов Ф.Я. Дерново-подзолистые почвы Чувашской Республики. Чебоксары: Чувашкнигоиздат, 1974.154 с.
8. МурДжРамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. М.: Мир, 1987. 286 с.
9. Сусликов В.Л. Геохимическая экология болезней. Атомовиты. М.: Гелиос АРВ, 2000. 672 с.
10. Сусликов В.Л. Эколого-биогеохимическое районирование территорий - методологическая основа для оценки среды обитания и здоровья населения // Вестник Чувашского университета. 2001. Вып. 4. С. 110-126.
11. Уильямс Д. Металлы жизни. М.: Мир, 1975. 236 с.
12. Химия окружающей среды / Под ред. Дж. Бокриса. М.: Химия, 1982. 671 с.
13. Applied Soil Trace Elements / By edit. D.E. Davies. N.Y.: John Wiley and Sons, 1980. 482 p.
КОЛЬЦОВА АННА НИКОЛАЕВНА родилась в 1980 г. Окончила Чувашский государственный университет. Аспирант кафедры физической географии и геоморфологии Чувашского университета. Имеет 5 работ в области картографии и геоэкологии.
СИРОТКИН ВЯЧЕСЛАВ ВЛАДИМИРОВИЧ родился в 1967 г. Окончил Санкт-Петербургский государственный университет. Доктор географических наук, доцент кафедры физической географии и геоморфологии Чувашского государственного университета. Имеет более 60 работ в области рационального использования природных ресурсов, геоэкологии и почвоведения.
