CC BY
241
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 332.368 (571.122)
Т.В. Сторчак
Нижневартовск, Россия
ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ГОРОДА НИЖНЕВАРТОВСКА
Аннотация. Дана оценка уровня химического загрязнения почв по суммарному показателю геохимического загрязнения почв элементами-токсикантами ^^. Для оценки интенсивности вовлечения химических элементов в биологический круговорот рассчитан коэффициент биологического поглощения. Ключевые слова: почва города; кислотность; гумус; водный и воздушный режим.________________
T. V.Storchak
Nizhnevartovsk, Russia
ESTIMATION OF SOIL CONTAMINATION LEVEL IN THE CITY OF NIZHNEVARTOVSK
Abstract. The article presents level estimation of chemical pollution of soil using a total indicator of geochemical pollution of soils by toxicants (Zc). For the estimation of intensity of chemical elements involvement in biological circulation it has been decided to use the factor of biological uptake.
Key words: soil of the city; acidity; humus; water and air regime.
Сведения об авторе: Сторчак Татьяна Викторовна, кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии.
Место работы: Нижневартовский государственный гуманитарный университет._________________________
About the author: Storchak Tatiana Viktorovna, candidate of Biology, assistant professor of the Ecology department.
Place of employment: Nizhnevartovsk State University of Humanities.
Контактная информация: 628611, г. Нижневартовск, ул. Дзержинского, д. 11; тел. (3466)278763, (912)9372593. E-mail: storchak@yugra.info
Городские почвы — важная составная часть городской природной среды. Они являются экологическим ресурсом, который обеспечивает жизнеспособность природного комплекса. Почвы выполняют ряд очень важных функций: являются питательной основой для растений, влияют на состояние подземных вод и воздуха, служат естественным фильтром, поглощающим загрязняющие вещества.
Городские почвы по основным химическим показателям отличаются от природных почв. Почвы города часто становятся непригодными для роста растений. На застроенных территориях нарушается веками создававшийся почвенный профиль, гибнет микрофлора, почвенные животные, ухудшается водный и воздушный режим почвы.
От экологических свойств городских почв во многом зависит состояние здоровья городского населения. В почвенной пыли содержатся патогенные микроорганизмы и микроскопические споры грибов, потенциальные продуценты микотоксинов, являющиеся аллергенами. Почва города является благоприятной средой для сохранения жизнеспособных патогенных микроорганизмов, яиц гельминтов, личинок насекомых, которые передают кишечные инфекции, гельминтоз, паразитарные заболевания. В настоящее время важным является поддержание здоровья почвы, сохранение устойчивого, сбалансированного состояния микробных сообществ природных почв.
Среди специфических загрязняющих веществ в воздушном бассейне городов важное место занимают тяжелые металлы, большинство которых относится к первому и второму классам опасности. Их негативное влияние на человека проявляется не только в прямом воздействии высоких концентраций, но и в отдаленных последствиях, связанных со способностью многих металлов аккумулироваться в организме. Металлы содержатся в большинстве видов промышленных, энергетических и автотранспортных выбросов и являются индикаторами техногенного воздействия этих выбросов на окружающую среду. Распределение
металлов в различных компонентах окружающей среды фиксируют источники загрязнения и зоны их воздействия [5].
Для характеристики содержания тяжелых металлов в почве определены величины ПДК (предельно допустимые концентрации) и ОДК (ориентировочно допустимые концентрации). Данные показатели определены для сельскохозяйственных почв, поэтому не могут являться определяющими для городской растительности. Для городских почв используют показатель «экологически допустимое содержание» (ЭДС) — значение, при котором не происходит изменений в экологически безопасном функционировании почвенных систем в городской среде. Большинство городских почв характеризуется допустимым уровнем загрязнения и пригодны для зеленых насаждений без дополнительных мероприятий по их химической рекультивации.
На территории г. Нижневартовска в осенней период 2010 г. проведен отбор 43 объединенных проб почвы на участках газона вдоль дорожно-транспортной сети города, а также внутри микрорайонов города, вдали от центральных автомагистралей. С этих же территорий были отобраны пробы растительного опада.
Отбор проб почвы производили в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84 [1] и ГОСТ 28168-89 [2]. Пробы почв отобраны методом конверта объемом по 400 г. Были исследованы особенности химического состава почвенных и растительных проб, загрязнение которых сформировалось под воздействием различных источников выбросов.
В пробах определяли: pH, кислотность обменную; удельную электрическую проводимость; органическое вещество (гумус); подвижные соединения фосфора и калия; обменный аммоний; азот нитратов; сумму поглощенных оснований; ион хлорида (водорастворимые формы); подвижные формы тяжелых металлов (марганец, никель, медь, хром, ртуть, свинец).
Рассчитывались статистические показатели (среднее значение, максимум, минимум, стандартное отклонение, стандартная ошибка) (табл. 1, 3, 4).
Таблица 1
Результаты количественного химического анализа отобранных образцов почвы
Наименование определяемых показателей pH водной вытяжки pH солевой вытяжки, кислотность обменная Удельная электрическая проводимость, мСм/см Органическое вещество, % Подвижные соединения фосфора, мг/кг Подвижный калий, мг/кг Обменный аммоний, мг/кг Нитратный азот, мг/кг Сумма поглощенных оснований, ммоль на 100 г почвы Ион хлорида, мг/кг
Среднее 6,211 5,611 0,096 4,937 38,526 110,424 9,001 8,500 8,405 63,807
Минимум 5,300 3,900 0,024 2,200 13,000 52,250 3,390 8,500 2,500 34,613
Максимум 7,700 7,000 0,241 8,100 105,000 337,500 20,100 8,500 22,500 90,880
Стандартное отклонение 0,554 0,812 0,058 1,626 25,810 73,596 5,267 5,140 17,763
Стандартная ошибка 0,127 0,186 0,013 0,373 5,921 16,884 1,461 1,179 4,359
Коэффициент вариации 8,915 14,479 59,825 32,941 66,993 66,648 58,515 61,157 4,075
Химические и физико-химические показатели характеризуют ухудшение химических свойств почв: истощение запасов питательных элементов, подщелачивание, подкисление и загрязнение токсикантами.
Органическое вещество почвы составляет небольшую часть твердой фазы, но имеет важное значение для ее плодородия и питания растений. Оно представлено в основном (на 85—90%) гуминовыми веществами (гуминовыми и фульвокислотами) и лишь небольшая часть негумифицированными остатками растительного, микробного и животного происхождения. Значительное содержание в почве гумуса делает почву структурной, улучшает ее аэрацию, водно-физические свойства, способствует накоплению жизненно важных питательных элементов. Все это повышает плодородие почвы и способствует произрастанию на ней зеленых насаждений. Плодородными считаются почвы, содержащие в органогенном горизонте не менее 4% гумуса.
Среднее содержание органического вещества в пробах почв — 4,9%, в трех пробах почв, отобранных с газонов, содержание гумуса достигает до 8,1% . Большинство исследованных почв имеет 4—5% гумуса, что соответствует требованиям к качеству городских почв (табл. 2) [3].
Таблица 2
Требования к качеству городских почв [3]
Показатели почвообразующих слоев и почвенных горизонтов Глубины слоев, см
0—20 20—50 50—150
Физические свойства
Содержание физической глины < 0,01 мм, % 30—40 20—40 30—40
Плотность сложения, г/см3 0,8—1,1 1,0—1,2 1,2—1,3
Химические свойства
Гумус, % 4—5 1—0,5 0,5
рН 5,5—7,0 ,0 7, ,5 5 ,0 7, ,5 5
Содержание тяжелых металлов, отношение к ОДК 1 1 1
Мощность эквивалентной дозы < 20 мкр/ч (<0,3 мкЗв/час) < 20 мкр/ч (<0,3 мкЗв/час) < 20 мкр/ч (<0,3 мкЗв/час)
Минимальный уровень обеспеченности минеральным азотом (сумма нитратного и аммонийного азота, ГОСТ 26488-85 и ГОСТ 26489-85), мг/100 г 4 4 4
Минимальный уровень содержания Р2О5 и К7О (ГОСТ 26207-91), мг/100 г 10 10 10
Биологические свойства
Величина патогенных микроорганизмов, шт./грамм почвы — — —
Кислотность или рН определяется суммарным влиянием всех компонентов в составе почвы. Величина концентрации ионов водорода имеет большое значение для биохимических процессов, происходящих в почве, населяющих ее живых организмов, влияет также на подвижность питательных и токсичных элементов в почвенных горизонтах, определяя их доступность для растений.
Подкисление и подщелачивание почв — процесс изменения кислотно-щелочной реакции почвы, нарушение почвенно-геохимических процессов, ведущих к понижению устойчивости экосистемы и гибели растительности. Очень кислые и очень щелочные почвы неблагоприятны для большинства растений и микроорганизмов, они обладают плохими физическими свойствами, органическое вещество в них не закрепляется, почвы обеднены питательными веществами. В городских условиях почвы, как правило, подвергаются
подщелачиванию в результате применения антигололедных реагентов, а также попадания строительной пыли, содержащей повышенные количества карбоната кальция [3].
При характеристике кислотно-щелочного режима почв выделяют следующие градации: рН 6,5—7,0 — пригодные и плодородные; рН 7,0—7,5 — потенциально плодородные; рН 7,5—8,0 — малопригодные и слаботоксичные; рН 8,0—8,5 — среднепригодные и среднетоксичные; рН > 8,5 — непригодные по химическим свойствам и сильнотоксичные.
Величина рН почвенных суспензий или вытяжек является важной характеристикой почвы. Значения рН используют для установления вероятности протекания отдельных химических и биохимических процессов, оценки состояния и доступности для растений питательных элементов. Интервалом рН определяется степень кислотности-щелочности среды [3].
Значение рН почв города Нижневартовска находится в пределах от 5,3 до 7,7, реакция среды, таким образом, изменяется от кислой до щелочной. Среднее значение рН 6,2. Слабо-кислая среда характерна для большинства исследованных проб почв, один образец почвы характеризуется слабощелочной реакцией.
Нитраты являются нормальными метаболитами любого живого организма. Растения способны использовать только минеральный азот в аммонийной и нитратной форме. Оптимальное содержание 7—15 мг К/кг. Исследованные почвы характеризуются низким содержанием нитратного азота. Данный показатель большинства проб меньше 2,8 мг/кг, что характеризует недостаточность данного элемента в почвах г. Нижневартовска. Азот аммонийный в исследованных пробах варьирует в пределах от 3,3 мг/кг до 20,1 мг/кг. Средний показатель — 9,0 мг/кг — говорит о достаточном содержании аммонийного азота в почвах города.
Хлориды относятся к наиболее типичным загрязнителям почвы при применении анти-гололедных реагентов, естественном засолении. Соль отрицательно влияет на растительность, в результате воздействия соли на декоративные растения появляются симптомы продолжительного токсического эффекта — пережжённые или коричневые листья. Воздействие хлоридов нарушает нормальные процессы дыхания и фотосинтеза растений. Небольшое количество соли, поглощённое корнями растений, может привести к преждевременному пожелтению листьев, а также к раннему опадению листвы осенью. В почвах г. Нижневартовска содержание хлоридов в среднем составляет 1,8 ммоль на 100 г почвы, минимальное значение — 0,98, максимальное — до 2,56 ммоль на 100 г почвы. Невысокое содержание хлоридов в почвенном растворе дает основание говорить о нетоксичности исследованных образцов почв.
Фосфор является невозобновляемым ресурсом, находится в верхних слоях почвы, где он аккумулируется в результате микробиологических процессов. Органическое вещество почвы содержит 20—60% от общего фосфора в почве, он обладает способностью переходить в фиксированное состояние, имеющее постоянную стабильность. Фосфор переходит в недоступную для растений форму благодаря адсорбции на глинистых частицах в результате химических реакций при наличии извести и высоком pH или реагируя с железом и алюминием при низком pH. Хорошо дренированные почвы в засушливые годы сохраняют определенное содержание фосфатов, тогда как в дождливые годы содержание их сильно снижается, особенно при низком содержании гумуса.
В среднем почвы города Нижневартовска характеризуются низким содержанием Р2О5. Неоднородностью городских почв объясняется широкий предел варьирования данного показателя от 13 до 105 мг/кг. Большинство проб характеризуется низким и очень низким содержанием фосфора.
Содержание калия определяется в основном ее минералогическим составом. Наибольшее количество калийсодержащих минералов находится в составе фракций мелкой пыли и ила. Для оценки уровня содержания калия по данным метода Кирсанова используется
следующая шкала (содержание К2О): обеспеченность очень низкая — менее 60 мг/кг, низкая — 60—80 мг/кг, средняя — 80—120 мг/кг, повышенная — 120—170 мг/кг, очень высокая — свыше 250 мг/кг. Содержание подвижных соединений указывает на низкую обеспеченность почв города данным элементом — среднее значение 110,4 мг/кг. Максимальное значение показателя 337,5 мг/кг отмечается в одной точке.
Важным практическим аспектом рационального природопользования является оценка экологической обстановки и выявление зон экологического бедствия и зон чрезвычайных экологических ситуаций. Оно проводится на основании ряда критериев с целью определения источников и факторов ухудшения экологической обстановки и разработки обоснованной программы неотложных мер по стабилизации и снижению степени экологического неблагополучия. Среди широкого спектра показателей большая роль отводится оценке состояния почвенного и растительного покровов. Кратность превышения ПДК загрязняющих веществ в почве прежде всего следует оценивать по подвижным формам этих веществ.
Оценка уровня химического загрязнения почв и грунтов как индикатора неблагоприятного воздействия на здоровье населения проводится по показателям, разработанным при сопряженных геохимических и гигиенических исследованиях окружающей среды городов с действующими источниками загрязнения. Такими показателями являются коэф -фициент концентрации химического вещества (Кс) и суммарный показатель загрязнения (1е). Оценка степени опасности загрязнения почв и грунтов по показателю Zc проводится в соответствии с МУ 2.1.7.730-99.
Показатель суммарного загрязнения (2е) рассчитывается по формуле:
п C
zc = £ - (п -1),
г=1 С/, рф
где С1,опр — определяемое содержание /-го токсиканта в почве; С/рф — регионально-фоновое содержание в почве /-го токсиканта, п — число токсикантов.
В соответствии с оценочной шкалой опасности загрязнения почв по суммарному загрязнению определяется категория загрязнения почв (табл. 3) [5].
Численное значение Zc при условии загрязненности почв зависит от состава и количе-ства ингредиентов, используемых в расчетах. Увеличение количества поллютантов приводит к более высоким результатам. Ю.Е.Сает [5] предложил следующий ряд металлов, содержания которых следует использовать при расчетах Си, Zn, РЬ, Сё, N Ев, Со, Hg.
Таблица 3
Оценочная шкала опасности загрязнения почв по показателю суммарного загрязнения
Категория загрязнения почв 2е Изменения показателей здоровья населения в очагах загрязнения
Допустимая Менее 16 Наиболее низкий уровень заболеваемости детей и минимальная частота встречаемости функциональных отклонений
Умеренно опасная 16—32 Увеличение общей заболеваемости
Опасная 32—128 Увеличение общей заболеваемости, числа часто болеющих детей, детей с хроническими заболеваниями, нарушениями функционального состояния сердечно-сосудистой системы
Чрезвычайно опасная Более 128 Увеличение общей заболеваемости детей нарушение репродуктивной функции женщин
Суммарный показатель геохимического загрязнения почв города Нижневартовска элементами-токсикантами (2е) составляет 1,0—7,4, что соответствует фоновому уровню загрязнения (табл. 4).
Кларк концентрации металлов в почвах Кк < 0,7 ниже кларкового уровня. Концентрация металлов в почве исследуемой территории варьирует значительно, но превышения ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) не отмечается (табл. 4).
Таблица 4
Диапазон значений концентрации загрязняющих веществ в почве на глубине 0—25 см на территории г. Нижневартовска, мг/кг
Наименование определяемых показателей Си N1 РЬ Сг 2е
Среднее 2,176 0,640 0,653 0,596 3,495
Минимум 1,817 0,229 0,198 0,337 1,000
Максимум 2,422 1,236 1,399 1,356 7,441
Стандартное отклонение 0,171 0,213 0,280 0,218 1,499
Стандартная ошибка 0,035 0,044 0,057 0,045 0,306
Коэффициент вариации 7,850 33,345 42,965 36,589 42,9
Кларк концентрации 0,073 — 0,054 0,009 —
Фон 2,245 0,769 0,198 0,427 —
Кларк в почвах мира 30,00 — 12,00 70,00 —
Кс 0,969 0,833 3,294 1,397 —
Для оценки интенсивности вовлечения химических элементов в биологический круговорот А.И.Перельман [4] предложил использовать коэффициент биологического поглощения Кб — отношение содержания элемента в растениях к его содержанию в подстилающей горной породе или в почве. А.И.Перельман выделил следующие группы химических элементов по интенсивности биологического накопления и захвата:
- элементы энергичного биологического поглощения — Р, 8, Вг, С1,I;
- элементы сильного биологического поглощения — Са, Ыа, К, Mg, 8г, Zn, В, 8в;
- элементы среднего биологического поглощения — Мп, Е, Ва, №, Си, Оа, Со, РЬ, 8п, Ля, Мо, Hg, Ag, Яа;
- элементы слабого и очень слабого биологического поглощения — 8г, Л1, Ев, Т/, Zr, ЯЬ, V Сг, П, У, ЫЬ Вв, Сё, и, Та, Ж, 8Ь, Ся.
На усвоение и поглощение химических элементов растениями влияют природные и антропогенные факторы. К природным факторам относятся уровень инсоляции, колебания температуры, количество выпадающих осадков. В засушливые годы некоторые растения аккумулируют Ев; во влажные годы в растениях накапливаются Мп, Си, Zn, Мо. Поступление тяжелых металлов в растения определяется особенностями химического состава почв, кислотно-щелочными и окислительно-восстановительными условиями, физическими свойствами, уровнем микробиологической активности и т.д. Степень влияния общего химического состава почвы обусловливается совместным влиянием элементов. Так, под действием алюминия понижается поступление в растения С1, Са, Ев; N тормозит усвоение растениями Мп; калийные удобрения снижают поступление в растения Ев и Со.
Таблица 5
Распределение микроэлементов в растительности, мг/кг
Наименование определяемых показателей Мп Си N1 РЬ Сг
Среднее 0,579 1,981 2,176 0,924 2,052
Минимум 0,179 0,510 0,500 0,268 1,445
Максимум 0,806 2,792 3,974 2,762 3,056
Стандартное отклонение 0,156 0,673 0,753 0,748 0,364
Стандартная ошибка 0,033 0,137 0,154 0,153 0,074
Коэффициент биологического поглощения 0,920 3,922 1,493 3,745
Для более полной оценки содержания металлов в почве и определения основных загрязнителей требуются многолетние исследования с характеристикой содержания в почве и растительности большого спектра металлов. Исследование содержания металлов в снеговых пробах поможет определить пути поступления тех или иных металлов в окружающую среду и вклад в данный процесс выбросов предприятий города.
В целом исследованные почвы территории г. Нижневартовска имеют низкое содержание основных питательных элементов. Содержание токсичных элементов не превышает ПДК. Содержание хлоридов и показатели УЭП также говорят о невысокой степени токсичности исследованных почв. По изученным параметрам почвы города не соответствуют требованиям к качеству городских почв [3], отмечается дефицит минерального азота.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа.
2. ГОСТ 28168-89. Почвы. Отбор проб.
3. Методические указания по оценке городских почв при разработке градостроительной и архитектурностроительной документации. М., 2003.
4. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М., 1975.
5. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. Геохимия окружающей среды. М., 1990.
