CC BY
87
УДК 550.424.6
ПОВЕДЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ «ПОЧВА-РАСТЕНИЕ» В УСЛОВИЯХ МАЛОПРОМЫШЛЕННОГО ГОРОДА ПРИАМУРЬЯ - БЕЛОГОРСКА
© 2013 Н.А. Бородина
Институт геологии и природопользования ДВО РАН, г. Благовещенск
Поступила в редакцию 15.05.2013
Исследованы особенности накопления и миграции Cu, Zn, Mn, Cr, Ni, Co, Pb и Mn в системе «почва-растения» под влиянием воздействия природных и антропогенных факторов в одном из малопромышленных городов Приамурья - Белогорске.
Ключевые слова: городские почвы, трава, укос, тяжелые металлы
Изучение техногенного загрязнения окружающей среды является одной из актуальных проблем в экологических исследованиях. Особое место по остроте этих проблем занимают урбанизированные территории, т.к. антропогенное загрязнение окружающей среды в последнее время приобрело такие размеры, что стало угрожать здоровью человека и представлять серьезную опасность для будущих поколений. Анализ литературных источников показывает, что большинство исследований были направлены на рассмотрение, как правило, экологических проблем крупных промышленных центров. Изучением экологического состояния г. Благовещенска - областного центра Приамурья, в том числе загрязнения экосистем тяжелыми металлами (ТМ), занимались многие исследователи [2, 5]. Экологические проблемы других малопромышленных городов Приамурья, процессы миграции и трансформации соединений ТМ практически не изучены.
Цель работы: исследование особенностей элементного химического состава растений и закономерности накопления и миграции ТМ в системе «почва-растения» г. Белогорска под влиянием воздействия природных и антропогенных факторов.
Характеристика района исследования. Город Белогорск является малопромышленным городом Амурской области, площадью 136 км2 и населением 68,7 тысяч человек, расположен в 100 км к северо-востоку от областного центра Благовещенска. Станция Белогорск - узловая станция, через которую проходят поезда во всех направлениях. Крупные предприятия: мясокомбинат, мелькомбинат, овощеконсервный завод,
Бородина Нина Александровна, инженер-исследователь аналитического центра. E-mail: [email protected]
асфальтовый завод и завод железобетонных изделий, вагонное и локомотивное депо.
Основными загрязнителями атмосферного воздуха в г. Белогорске, как и по всей области, являются объекты жилищно-коммунального хозяйства и автотранспорт. Наибольший объем выброшенных загрязняющих веществ приходится на мелкие котельные, которых в городе достаточно много. Автотранспорт является также источником поступления пыли. Загрязнение воздуха происходит не только при сжигании топлива в двигателях внутреннего сгорания, но и при истирании шин о поверхность дороги. Образуемая при этом пыль обогащена свинцом, цинком и кадмием [6]. По данным ГИБДД УВД по Амурской области в г. Белогорске зарегистрировано 16923 единицы автотранспорта. На 1 км2 при плотности населения 505 человек приходится 124 автомобиля. Это без учета транзитного транспорта, а через г. Белогорск проходит автотрасса, соединяющая областной центр с восточной частью страны, и автомагистраль федерального значения.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования служили почвы разных функциональных зон города и трава укоса. Сбор материала (почва, растения) проводили с июля по сентябрь 2009-2010 г. с 8 пробных площадок, включая фоновую. В качестве фона использовали территорию соснового бора в 20 км севернее города. Валовое содержание ТМ (Си, 2п, Мп, Сг, N1, Со, РЬ, Сё) в почвах и в озоленном растительном материале определяли после разложения их смесью концентрированных кислот: фтористоводородной, азотной и соляной с последующим растворением в растворе 1 М соляной кислоты. Для выделения форм ТМ различной подвижности в почвах и соответственно неодинаковой доступности растениям использовали метод последовательной экстракции металлов из одной навески почвы [4].
Было выделено 5 форм нахождения ТМ в почвах: 1) водорастворимая фракция - соединения ТМ, переходящих в водную вытяжку, 2) фракция, содержащая непрочно сорбированные ионы ТМ, 3) фракция ТМ, связанная с аморфными оксидами и гидроксидами железа и марганца, 4) фракция ТМ, связанных с органическим веществом почв и сульфидами, 5) остаточная фракция, содержащая ионы ТМ, прочно закрепленные в кристаллических решетках минералов почв. Были рассчитаны коэффициенты концентраций (К) как отношение фактического содержания определяемого вещества в исследуемом объекте (С,) к фоновому (Сф) по формуле: К = С/Сф. Суммарный показатель химического загрязнения рассчитывали по формуле: 2с=ТКс, -(п-1), где ^с) - суммарный показатель химического загрязнения; Кс - коэффициенты концентраций элементов; п - число определяемых загрязнителей [6]. Все определения ТМ в траве укоса были проведены атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре 1 класса «Хитачи»-
180-50 в пламени ацетилен-воздух. Свинец и кадмий - на ААС «Анналист 400».
Результаты и их обсуждение. На всех исследованных территориях города содержание ТМ в почвах, кроме Сг, не превышает ПДК и ОДК для почв, хотя и наблюдается более интенсивная аккумуляция этих элементов в городских почвах по сравнению с фоновой территорией, что указывает на антропогенные источники их поступления. В трех точках города отмечено превышение ПДК для почв по хрому в 1,03-2,3 раз (табл. 1). В порядке уменьшения среднего валового содержания ТМ образуют следующий убывающий ряд: Мп>Сг>2п>РЬ>Си>№>Со>Сё. Согласно ориентировочной шкалы по суммарному показателю загрязнения почв ^с) тяжелыми металлами [6], исследуемые территории города имеют следующую градацию: 57,2% исследованных территорий города имеют допустимый уровень загрязнения (2с < 16) и 42,8% - умеренно опасный (2с = 16-32), это территории военного госпиталя, городского парка и консервного завода (табл. 1).
Таблица 1. Валовая концентрация тяжелых металлов в верхнем горизонте почв, мг/кг, - числитель, коэффициент концентраций - знаменатель
Место отбора Cu Zn Mn Cr Ni Co Pb Cd z,
мелькомбинат 11,0 1,37 33,0 1,1 246,0 0,96 148,0 4,9 85 0,8 2,0 0,5 23,9 2,4 <1,0 <1 6,0
школа-гимназия № 1 20,0 2,5 67,0 2,2 595,0 2,3 68,0 2,3 15,5 1,4 6,0 1,5 40,1 4,0 <1,0 <1 10,2
завод ж/б конструкций 14,0 1,7 47,0 1,5 498,0 1,9 93,0 3,1 18,5 1,7 6.5 1.6 55,4 5,5 <1,0 <1 11,0
городской парк 18,0 2,25 79,0 2,6 859,0 3,5 211,0 7,0 18,0 1,6 4,5 1,1 42,3 4,2 <1,0 <1 16,2
железнодорожный вокзал 18,0 2,25 80,0 2,7 531,0 2,1 66,0 2,2 15,0 1,4 3,9 1,0 37,4 3,7 <1,0 <1 9,4
военный госпиталь 16,0 2,0 64,0 2,1 661,0 2,6 61,0 2,0 28,5 2,6 9,1 2,3 92,2 9,2 <1,0 <1 16,8
консервный завод 44,0 5,5 92,0 3,1 367,0 1,4 68,0 2,3 23,5 2,1 3,9 1,0 68,0 6,8 <1,0 <1 16,2
фон 80 1 30,0 1 256,0 1 30,0 1 11,0 1 4,0 1 10,0 1 <1,0 <1 1,0
ПДК 1500 90
ОДК (рН KCl >5,5) 132 220 80 130 2
Для предсказания поведения ТМ в экосистемах, их подвижности и доступности для поглощения и выведения живыми организмами необходимы знания о формах существования ТМ. Наиболее полную и объективную информацию о формах нахождения этих металлов в ур-баноземах, участии различных компонентов почвы в их связывании дают методы последовательных селективных экстракций. В результате исследования было установлено, что наименьшее количество подвижных форм ТМ находится в водорастворимой - до 3,3% и специфически сорбированной фракциях - до 21% от валового
содержания. Эти фракции характеризуют мобильность и биодоступность ТМ. Оксиды и гид-роксиды железа больше удерживают металлов, чем органическое вещество почв. Сорбция 2п и Мп гидроксидами железа до 10 раз выше, чем органическим веществом почв. Главной особенностью фракционного состава соединений ТМ в почвах является значительное преобладание остаточной фракции над остальными, что позволяет предположить ведущую роль глинистых минералов в закреплении элементов в почве. Максимальное содержание в остаточной фракции характерно для Сг и Си - до 97%, а мини-
мальное для Zn - до 71% и Мп - до 63% от валового содержания.
Наиболее информативным критерием, указывающим на активность металлов в почвенном растворе, является уровень накопления их в растениях [9]. По накоплению в фитомассе того или иного элемента можно судить об экологически значимом его содержании в почве, а в химическом составе растений могут отражаться особенности геохимической среды. Химический состав травы укоса показал, что содержание определяемых ТМ в растениях урбофитоценозов гораздо выше, чем на фоновом участке. Концентрация Си, 2п и РЬ в траве укоса урбанизированных территорий г. Белогорска превышает фоновые
значения до 3-4 раз, а N1 - до 12 раз (табл. 2). Наиболее высокая концентрация характерна для Мп (37,4-97,1 мг/кг) и 2п (19,8-49,7 мг/кг). Это объясняется большим физиологическим значением этих элементов и высокой потребностью в них растений различных фитоценозов [1]. Содержание Си варьирует в интервале от 3,0 до 9,3 мг/кг, Сг, N1 и РЬ от <1,0 до 3,6 мг/кг, а Сё аккумулируется в растениях незначительно (табл. 2). Наибольшее значение суммарного показателя химического загрязнения (Х^) в траве укоса г. Белогорска выявлено в районе завода железобетонных конструкций (15,4), школы-гимназии № 1 (14,7) и железнодорожного вокзала (14,3).
Таблица 2. Концентрация ТМ в траве укоса, мг/кг (в пересчете на воздушно-сухую массу)
Место отбора Zn Mn ^ № ^ Pb Cd
завод ж/б констр. 7,18 49,7 70,4 1,36 3,11 0,39 2,23 0,10 15,4
военный госпиталь 6,04 25,9 65,9 0,92 2,46 0,31 1,12 0,10 9,0
мелькомбинат 8,36 22,6 49,1 2,22 2,48 0,52 3,66 0,13 13,1
школа-гимназия № 1 8,09 34,7 53,2 0,99 3,55 0,44 1,44 0,11 14,7
консервный завод 6,67 30,6 37,4 1,31 2,12 0,81 2,63 0,10 10,3
ж/д вокзал 9,34 40,8 49,8 0,56 2,70 0,67 3,15 0,22 14,3
городской парк 6,0 19,8 97,1 1,47 2,45 0,61 1,84 <0,1 10,1
фон 3,09 11,4 68,7 1,37 0,28 <1,0 <1,0 <0,1 1,0
кларк раст.[8] 14,0 100,0 630,0 0,23 3,0 0,5 2,7 0,6
Следует отметить, что в почвах г. Белогор-ска концентрация Сё ниже предела обнаружения (табл. 1), а в траве укоса Сё присутствует почти на всех точках отбора. На основании этих данных можно предположить, что для Сё возможно поглощение элемента из атмосферы через листья. Содержание ТМ в растениях - комплексный показатель, отражающий загрязнение почвы и приземного слоя атмосферы. Главный путь поступления металлов в растения - адсорбция корнями. Почвенная среда является основным источником элементов для растений. Для установления степени влияния элементного состава почвы на химический состав растений была проведена оценка корреляционной зависимости между содержанием ТМ в траве укоса и их валовым
содержанием в почве. Было установлено, что корреляционная зависимость отсутствует. Это можно объяснить способностью растений к избирательному накоплению элементов, хотя некоторые исследователи считают, что между химическим составом растений и элементным составом почвы существует определенная связь [3]. Была рассчитана корреляционная зависимость между накоплением ТМ в растениях от содержания их подвижных форм в почвах города. Разница в кореляционной связи от количества фракций в почве (1+2) и (1+2+3) незначительна. Поэтому в качестве примера рассмотрим кореляционную зависимость между накоплением ТМ в траве укоса с их подвижными формами (1+2+3 фракции) в почве (табл. 3).
Таблица 3. Корреляционная зависимость между накоплением ТМ в траве укоса и содержанием их подвижных форм (1+2+3 фракции) в почвах
еь Zn Mn № ^ Pb
Си -0,19 0,57 -0,20 0,16 -0,07 0,16 -0,42
2п -0,15 0,46 0,18 -0,49 -0,30 0,35 0,32
Мп -0,63 -0,49 0,65 -0,31 -0,20 0,08 -0,15
Сг -0,13 -0,11 -0,57 0,24 -0,17 -0,32 -0,74
N1 -0,63 0,27 0,32 0,00 0,16 -0,01 -0,70
Со -0,55 0,40 0,52 -0,45 0,25 -0,57 -0,36
РЬ -0,08 0,75 0,10 -0,09 0,04 0,06 -0,05
Примечание: жирным шрифтом отмечены достоверные коэффициенты корреляции, курсивом - коэффициенты парной корреляции
С помощью корреляционного анализа обнаружена значимая прямая связь только между концентрацией Мп в траве укоса города с его подвижными формами в почве (г=0,65) и средняя связь для 2п (г=0,46). Возможно, это связано с наличием у растений эволюционно выработанных механизмов извлечения эссенциальных элементов из корнеобитаемого слоя [7]. Исходя из этих данных, можно предположить, что накопление Мп и 2п в растениях зависит от содержания этих элементов в почве. Растворимые формы 2п и Мп доступны для растений и их потребление растениями возрастает с повышением концентрации элемента в почве [3]. Для остальных исследованных элементов полученные результаты не выявляют зависимости между накоплением ТМ в растениях и содержанием их подвижных форм в почвенном растворе, где коэффициенты парной корреляции отрицательны или колеблются в интервале от 0,16 до 0,24 (табл. 3). В результате исследования накопления элементов в траве укоса городских почв установлено, что факторами, определяющими уровень аккумуляции ТМ растениями, являются содержание подвижных форм металлов в почвах, потребность растений в каждом конкретном химическом элементе, биодоступность самого элемента и видовой состав растений.
Выводы: приоритетными загрязняющими веществами окружающей среды (по результатам анализов химического состава почвы и травы укоса) в г. Белогорске являются Сг, РЬ и N1. Корреляционный анализ показал, что накопление Мп и 2п в растениях зависит от содержания этих элементов в почве, а для Сё возможно поглощение элемента из атмосферы через листья. На
формирование полиэлементного состава загрязнения оказывают влияние предприятия топливно-энергетического комплекса и автотранспорт, выбросы которых имеют широкий ареол рассеяния в пределах городских территорий, но в целом экологическая обстановка в г. Белогорске не вызывает опасности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Алексеев, Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. - Л.: Агропромиздат, 1987. 142 с.
2. Бородина, НА. Аккумуляция тяжелых металлов хвоей сосны в урбоэкосистеме города Благовещенска // Известия Самарского НЦ РАН. 2012. Т.14. № 1 (18). С.1958-1962.
3. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. - М.: Мир, 1989. 439 с.
4. Ладонин, Д.В. Соединения тяжелых металлов в почвах - проблемы и методы изучения // Почвоведение. 2002. № 6. С. 682-692.
5. Радомская, В.И. Оценка загрязнения почвенного покрова г. Благовещенск // В.И. Радомская, С.М. Радомский, Н.Г. Куимова / Вестник ДВО РАН. 2008. № 3. С. 37-43.
6. Сает, Ю.Е. Геохимия окружающей среды / Ю.Е. Сает, Б.А. Ревич, Е.П. Янин и др.. - М.: Недра, 1990. 335 с.
7. Снакин, В.В. Состав жидкой фазы почв / В.В. Снакин, А.А. Присяжная, О.В. Рухович. - М.: РЭФИА, 1997. 325 с.
8. Войткевич, Г.В. Справочник по геохимии / Г.В. Войткевич, А.В. Кокин, А.Е. Мирошников, В.Г. Прохоров. - М.: Недра, 1990. 480 с.
9. Чимитдоржиева, Г.Д. Тяжелые металлы (свинец, никель, кадмий) в органической части серых лесных почв Бурятии / Г.Д. Чимитдоржиева, А.З. Нимбуева, Е.А. Бодеева // Почвоведение. 2012. № 2. С. 166-172.
BEHAVIOUR OF HEAVY METALS IN SOIL-PLANT SYSTEM IN THE CONDITIONS OF LOW-INDUSTRIAL CITY IN PRIAMURYE
- BELOGORSK
© 2013 N.A. Borodina Institute of Geology and Nature Management FEB RAS, Blagoveshchensk
Features of accumulation and migration of Cu, Zn, Mn, Cr, Ni, Co, Pb and Mn in soil-plant system under the influence of natural and anthropogenous factors in one of the low-industrial cities in Priamurye -Belogorsk are investigated.
Key words: city soils, grass, hay crop, heavy metals
Nina Borodina, Engineer-researcher of the Analytical Center. E-mail: [email protected]
