CC BY
32
АГРОЭКОЛОГИЯ
УДК 631.416.8(470.322)
ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ УГОДИЙ В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛИПЕЦКОЙ ПРОМЫШЛЕННОЙ АГЛОМЕРАЦИИ
Д.Н. Курбаков, В.К. Кузнецов, д.б.н., В.С. Анисимов, к.б.н., К.В. Петров
Всероссийский НИИ радиологии и агроэкологии, e-mail: kurbakov007@gmail.com
Изучены закономерности распределения тяжелых металлов в снежном покрове и почвах сельскохозяйственных угодий зоны воздействия предприятий Липецкой промышленной агломерации. Установлено, что основные выпадения происходят на расстоянии 2-3 км от промышленных предприятий. Содержание тяжелых металлов в почве существенно различается в зависимости от источника загрязнения, направления и характера подстилающей поверхности. Наибольшее количество тяжелых металлов сосредоточено в слоях почвы 0-2 и 2-5 см, содержание которых в 1,2-8,5 раза выше, чем в материнской породе.
Ключевые слова: тяжелые металлы, почвенные образцы, снежный покров, атмосферные выпадения, промышленные предприятия, Липецкая область.
FEATURES OF HEAVY METALS DISTRIBUTION IN SOILS OF AGRICULTURAL LANDS IN EXPOSURE ZONE OF LIPETSK INDUSTRIAL AGGLOMERATION
D.N. Kurbakov, Dr.Sci. V.K. Kuznetsov, Ph.D. V.S. Anisimov, K.V. Petrov
All-Russian Scientific-Research Institute of Radiology and Agroecology, e-mail: kurbakov007@gmail.com
The regularities of distribution of heavy metals in the snow cover and soils of agricultural lands of the impact zone of enterprises of the Lipetsk industrial agglomeration were studied. It is established that the main fallout occurs at a distance of 2-3 km from industrial enterprises. The content of heavy metals in the soil varies significantly depending on the source of pollution, the direction and nature of the underlying surface. Most of the heavy metals are concentrated in soil layers 0-2 and 2-5 cm, the content of which is 1.2-8.5 times higher than in the parent rock.
Keywords: heavy metals, soil samples, snow cover, atmospheric deposition, industrial enterprises, Lipetsk region.
Интенсивное развитие промышленности ведет к загрязнению окружающей среды, в том числе и сельскохозяйственных угодий. В Центральном Федеральном округе Липецкая область по объему выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников находится на первом месте (353 тыс. т) [1]. Наиболее крупными источниками загрязнения являются ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат», ОАО «Липецкий металлургический завод «Свободный сокол», ОАО «Липецкий тракторный завод», ЗАО «Липецкий цементный завод», выбросы от которых составляют 73% от общего объема выбросов. Основным видом химического загрязнения служат тяжелые металлы (ТМ), доля поступления которых от техногенных источников составляет от 70 до 95% [2]. Почва и снежный покров отражают различные временные характеристики загрязнения атмосферного воздуха [3, 4]. Концентрация загрязняющих веществ в снежном покрове на 2-3 порядка выше, чем в атмосферном воздухе [5, 6]. Содержание металлов в по-
верхностном слое почв служит результатом многолетнего воздействия загрязненного атмосферного воздуха, суммируя колебания уровней загрязнения, связанные с изменениями технологического процесса, эффективностью пылегазоулавливания, влиянием метеорологических и других факторов.
Цель исследования - оценить особенности загрязнения и распределения ТМ в почвах сельскохозяйственных угодий в ближней и дальней зонах воздействия предприятий Липецкой промышленной агломерации (ЛПА) в зависимости от направления и расстояния от основных источников загрязнения, а также характеристик почвенного покрова.
Объекты и методы исследования. Полевые исследования проводили в 2007-2010 гг. на сельскохозяйственных угодьях, находящихся в зоне воздействия предприятий ЛПА. Пробы почв обирали по 8 румбам с шагом 1-5 км. Максимальное расстояние отбора проб от промышленных предприятий составляло 50 км. Точечные пробы на каждом поле отбирали почвенным буром по 2 диагоналям.
Смешанный образец составляли не менее чем из 10-15 индивидуальных образцов, равномерно отобранных на участке. Индивидуальные пробы объединяли, тщательно перемешивали, затем брали смешанный образец массой 0,5 кг. Глубина отбора индивидуальных и смешанных проб на пахотных угодьях составляла 0-20 см, а на сенокосах и пастбищах - 0-10 см [7-9].
В мониторинге загрязнения атмосферного воздуха использовали так называемые природные планшеты, к которым относится снежный покров в качестве депонирующей среды техногенных загрязнений [6]. Пробоотбор проводили по нерегулярной сети отбора по стандартной методике при температуре 0-1 °С; снежный покров сохранялся целостным, таяние снега только начиналось [3]. Было отобрано 9 образцов снежного покрова, для отбора «фоновой» пробы был выбран участок, расположенный на расстоянии 35 км от городской черты.
Результаты. Установлено, что основные выпадения ТМ происходят на расстоянии 2-3 км. С увеличением дальности от промышленных предприятий количество пылевидных выпадений снижается, а на расстоянии 16 км выпадения не регистрируются (рис. 1). Данный факт можно объяснить тем
промышленных выбросов выпадают вблизи промышленных предприятий. При этом максимальный вес пылевидных выпадений был выявлен в восточном направлении от ЛПА, где сельскохозяйственные угодья непосредственно примыкают к промышленной площадке агломерационной фабрики Новолипецкого металлургического комбината. По розе ветров это направление является преобладающим для распространения загрязняющих веществ. Стоит отметить, что характер распределения ТМ существенно различается в зависимости от направ-
Рис. 1. Масса газопылевых выбросов в зоне воздействия ЛПА, г/м2
обстоятельством, что наиболее тяжелые фракции
А
Сс1 Сг Си _ N1 I I - РЬ Ип
5 10 20 35
Расстояние от НЛМК, км
к 0,6 •
^
о
из
Б
Запад ПДК
Расстояние от НЛМК, км
Ё^ 0,8-
В
Север ПДК
6 12 20 30
Расстояние от НЛМК, км
Ё^ 0,8
ПДК
Расстояние от НЛМК, км
Рис. 2. Доля тяжелых металлов от ПДК в пахотных почвах в зависимости от направления и расстояния от Новолипецкого металлургического комбината
1,4 -
1,2 -
1,0
0,8 -
0,0
2
50
I
Юг
1,4 -
1,2 -
1,0
К 0,6
0,4 -
0,2 -
0,0
45
Восточное направление
Южное направление
■Северное направление
ления, вида предприятий и характера подстилающей поверхности (рис. 2). Снижение содержания ТМ в почве в восточном направлении на расстоянии 3-8 км, возможно обусловлено влиянием эффекта теневого воздействия высоты трубы на распространение аэрозольных выпадений, когда ближняя к трубе территория попадает в так называемую «мертвую» зону с минимальным количеством выпадений, а основное количество примесей переносится на более дальнее расстояние. Вместе с тем во всех случаях не наблюдается превышения ПДК тяжелых металлов в пахотных почвах. Увеличение расстояния отбора проб до 50 км показало, что содержание ТМ в почве дальней зоны определяется природными свойствами почв и соответствует фоновым значениям (рис. 2).
Для выявления возможного накопления ТМ в почвах в зоне воздействия ЛПА используют также метод сравнения по фоновому содержанию ТМ. За пределами 50 км зоны фоновое содержание ТМ в почвах варьирует в зависимости от гранулометрического состава почв, что определяет и различия с кларковыми значениями (табл. 1). Было проведено сравнение валового содержания элементов с их фоновым содержанием, с кларками, а также с ПДК (ОДК) тех элементов, для которых они приняты. Для некоторых ТМ (в том числе Со и Сг) величины ОДК не приняты, и для оценки степени загрязнения
почв этими металлами используют эмпирическую зависимость [8]: ПДК = (3-5) х Фон.
Установлено, что для природных участков и кормовых угодий характерна выраженная аккумуляция ТМ в верхних слоях почвы. При этом основное их количество сосредоточено в слоях 0-2 и 2-5 см (табл. 2). Наибольшие различия характерны для N1, Сг, а в ряде случаев для Сё, РЬ и 2п. Вместе с тем указанные различия наиболее выражены для участков, расположенных вблизи основных предприятий ЛПА, а при удалении от них эти различия существенно нивелируются, что указывает на снижение техногенной нагрузки на верхние слои почвы с увеличением расстояния от промышленных объектов. Следует отметить, что в ряде случаев содержание ТМ в слое 0-2 см ниже, чем в слое 2-5 см, что, вероятно, обусловлено процессами перераспределения ТМ в верхних слоях почвы и наблюдаемым уменьшением промышленных выбросов поллютантов в последние годы.
В результате обработки сельскохозяйственных угодий происходит перемешивание ТМ, что приводит к равномерному распределению их концентраций в пахотном слое почвы. Вместе с тем максимальное содержание ТМ в слое 0-20 см наблюдается на полях, расположенных в непосредственной близости от промышленных предприятий. При этом для выщелоченных черноземов на удалении 5 км харак-
1. Фоновые концентрации тяжелых металлов в почве пахотных угодий за пределами 50 км зоны воздействия основных ^ предприятий ЛПА, мг/кг
Почва Cd № Pb Zn
Чернозем выщелоченный среднесуглинистый 0,19 7,0 25,0 13,5 23,0 9,5 42,5
Чернозем выщелоченный легкосуглинистый 0,10 2,3 8,0 7,0 6,5 4,5 20,0
Кларковое содержание элементов в почве по А.П. Виноградову 0,5 8,0 70,0 20,0 40,0 10,0 50,0
ПДК (ОДК) с учетом фона 1,0 10,0* 100,0* 66,0 40,0 65,0 110,0
* расчетные данные
2. Содержание тяжелых металлов в профиле почв целинных участков
на разном расстоянии от основных промышленных предприятий ЛПА, мг/кг
Элемент Слой почвы, см
0-2 2-5 5-10 10-20 20-40 40-60 60-80 80-100 100-120
2 км к юго-востоку от Липецкого тракторного завода (луг, чернозем выщелоченный среднесуглинистый)
Сё 1,7 1,9 0,9 0,43 0,35 0,31 0,23 0,20 0,20
Со 13,7 14,1 8,2 8,1 8,0 7,7 7,5 7,5 7,4
Сг 52,3 57,1 27,5 21,1 20,3 20,2 20,1 19,7 19,8
Си 33,1 27,4 14,3 13,2 12,1 12,3 12,2 11,8 12,0
N1 37,7 43,4 16,5 14,3 13,7 13,8 13,9 14,0 13,7
РЬ 27,1 31,5 16,0 11,1 9,1 8,2 8,0 7,9 7,8
7п 115,3 121,4 59,0 31,2 27,5 26,4 25,0 25,2 25,0
35 км к юго-востоку от Новолипецкого металлургического комбината (луг, чернозем выщелоченный среднесуглинистый)
Сё 0,15 0,10 0,10 0,08 0,08 0,08 0,08 0,07 0,07
Со 2,9 3,2 2,8 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 2,4
Сг 9,6 10,0 8,7 8,5 8,2 8,1 8,2 8,1 8,0
Си 7,7 7,5 7,0 6,8 6,5 6,5 6,5 6,5 6,4
N1 8,4 8,9 8,5 7,5 7,2 7,2 7,3 7,2 7,2
РЬ 5,8 6,2 5,8 4,6 4,3 4,2 4,3 4,2 4,2
7п 34,7 35,1 32,3 31,5 31,0 26,1 25,4 25,0 24,7
терно превышение содержания кларка для Cd и этот показатель в 2,3 и 4,3 раза выше установленных значений для почв на дистанции 13 и 30 км. Также наблюдается более высокое содержание Cd, Pb и Zn.
Оценку уровня химического загрязнения почв и снежного покрова как индикаторов неблагоприятного воздействия на здоровье населения проводили по показателям, разработанным при сопряженных геохимических и геогигиенических исследованиях окружающей среды населенных пунктов. Такими показателями являются: коэффициент концентрации
химического вещества (Кс), который определяется отнесением его реального содержания (С) к фоновому (Сф). Химическое загрязнение снежного покрова на сельскохозяйственных угодьях оценивали по суммарному показателю загрязнения ^С) и содержанию валовых форм гигиенически нормируемых химических элементов. Суммарный показатель загрязнения представляет собой сумму коэффициентов концентрации отдельных компонентов загрязнения:
2с = сумма (КС + ... + Ксп) - (п - 1), где п - число определяемых суммируемых веществ; Кс1 - коэффициент концентрации 1-го компонента загрязнения. Содержание ТМ в составе пылевой фракции снежного покрова значительно превышало концентрации в фоновой пробе по Сё - 11,6 раза, Мп - 9,5 раз, 2п - 14,2 раз (табл. 3). Суммарный показатель загрязнения (2с) варьирует в пределах 12,1-172,5 и при усредненном значении 62,4 приближается к среднему уровню загрязнения.
Таким образом, загрязнение почвенного и снежного покрова сельскохозяйственных угодий происходит в основном аэральным путем, однако уровни содержания поллютантов в объектах аг-роэкосистем в большинстве случаев не превышают ПДК. Наиболее выраженные различия между верхними горизонтами почв и материнской породой характерны для участков, расположенных на расстоянии 2-3 км от источников загрязнения, а при удалении от них эти различия существенно нивелируются. При этом основное количество ТМ в почвах сосредоточено в слоях 0-2 и 2-5 см, содержание которых в 1,2-8,5 раза выше, чем в материнской породе (слой 100-120 см). Накопление повышенных концентраций ТМ в верхних слоях почв может способствовать деградации почвенного плодородия и обострению экологических ситуаций вблизи предприятий ЛПА.
3. Загрязнение снежного покрова Липецкой _области, мг/кг пылевой фракции_
Элемент Обследуемый участок Фоновый участок Кс = С/Сф Ъс
Cd 4,7-26,9 0,94 5,0-28,6 12,1172,5
10,9 11,6
Со 3,9-17,9 5,49 0,7-3,26
10,6 1,9
Сг 44,2-354,9 22,5 19,-15,8
119,2 5,3
Си 5,2-187,9 15,8 0,3-11,9
67,4 4,3
Бе 8536-7761 7950 1,1-9,8
44811 5,6
Мп 430,0-1575 105,0 4,1-14,9
999,2 9,5
N1 18,2-113,0 12,6 1,4-8,9
57,8 4,6
РЬ 12,1-316,7 27,2 0,4-11,6
154,2 5,7
Бг 38,4-851,9 17,8 2,2-47,8
154,2 8,7
7п 427,9-3167 109,3 3,9-28,9
1550,2 14,2
Суммарный показатель загрязнения снежного покрова (7е) Низкий 32-64
Средний 64-128
Высокий 128-256
Литература
1. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2014 году». -М.: Министерство природных ресурсов и экологии РФ, 2015. - 473 с.
2. Коковкин В.В., Рапута В.Ф., Романов А.Н., Морозов С.В. Исследование процессов регионального загрязнения снегового покрова городами юга Западной Сибири // Ползуновский вестник, 2011, № 4-2. - С. 89-93.
3. Методические рекомендации по оценке степени загрязнения атмосферного воздуха населенных пунктов металлами по их содержанию в снежном покрове и почве. 5174-90. - М.: ИМГРЭ, 1990. - 9 с.
4. Артемов В.М., Парцеф Д.П., Сает Ю.Е. и др. Анализ состояния загрязнения снегового покрова для проектирования сети станций АНКОС-А. В кн.: Методические и системотехнические вопросы контроля загрязнения окружающей среды / Труды ИМПГ, 1982, Вып. 48. - С. 144-149.
5. Безкопыльный И.Н. Некоторые методические подходы к изучению воздействия факторов окружающей среды на здоровье населения в зоне территориально-производственного комплекса // Гигиена и санитария, 1984, № 11. - С. 24-27.
6. Бояркина А.П., Бойковский В.В., Васильева Н.В. и др. Аэрозоли в природных планшетах Сибири. - Томск, 1993. - 157 с.
8. Методические указания по проведению локального мониторинга на реперных участках. - М.: ЦИНАО, 1996. - 14 с.
9. Методические указания по обследованию почв сельскохозяйственных угодий и продукции растениеводства на содержание тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов и радионуклидов. - М.: ЦИНАО, 1995. - 26 с.
10. ГОСТ 17.4.3.01-83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб.
