CC BY
6
УДК 631.4
DOI: 10.24412/1728-323X-2023-6-27-32
ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И ФОРМЫ ИХ СОЕДИНЕНИЙ В ПОЧВАХ ЛЕСОПАРКОВЫХ ЛАНДШАФТОВ СЕВЕРО-ВОСТОЧНОГО ОКРУГА МОСКВЫ (НА ПРИМЕРЕ РАЙОНА ЛИАНОЗОВО)
Т. И. Борисочкина, старший научный сотрудник, кандидат сельскохозяйственных наук, geotibor@gmail.com, ФГБНУ Почвенный институт им. В. В. Докучаева, г. Москва, Россия К. А. Колчанова, научный сотрудник, kolchanovakseniia@yandex.ru, ФГБНУ Почвенный институт им. В. В. Докучаева, г. Москва, Россия
И. Н. Горохова, старший научный сотрудник, кандидат технических наук, g-irma14@yandex.ru, ФГБНУ Почвенный институт им. В. В. Докучаева, г. Москва, Россия
Аннотация. Исследовано распределение и формы соединений тяжелых металлов в почвах лесопарковых ландшафтов Северо-Восточного округа Москвы в районе Лианозово. Выявлены территории повышенного экологического риска. Изучены содержания тяжелых металлов в дерново-подзолистых, дерново-глеевых, пост-агрогенных и пирогенно-измененных почвах. Установлено, что в нативных дерново-подзолистых почвах лесопарковых ландшафтов содержание тяжелых металлов не превышает региональные фоновые концентрации. Исключением являются цинк и кадмий, содержание которых в верхних горизонтах почв выше фоновых значений. Концентрации металлов в почвах увеличиваются в местах близлежащего расположения и усиления воздействия крупных трасс. Подвижные формы цинка и кадмия в дерново-глеевых почвах повышены и часто превышают действующие в стране нормативные показатели (ПДК). Пост-агрогенные почвы характеризуются повышенными содержаниями подвижного фосфора, подвижного калия, цинка и кадмия. Наиболее экологически опасными являются локальные пирогенные образования, содержащие концентрации тяжелых металлов, превышающие ПДК. Разрушение органогенных горизонтов влечет за собой трансформацию форм соединений тяжелых металлов, приводит к уменьшению доли прочно связанных соединений, увеличивает риски аэрогенной и латеральной миграции. Наибольшую опасность представляет кадмий, доля обменной (наиболее лабильной) фракции которого в загрязненных почвах возрастает и составляет 20—30 %.
Abstract. The distribution and forms of heavy metal compounds in the soils of forest park landscapes of North-Eastern Administrative Okrug of Moscow in the Lianozovo District have been studied. The territories of an increased environmental risk have been identified. The contents of heavy metals in sod-podzolic, sod-gley, post-agrogenic and pyrogenic-altered soils were studied. It was found that the content of heavy metals in native sod-podzolic soils of forest park landscapes does not exceed regional background concentrations. The exceptions are zinc and cadmium, the content of which is higher than background values in the upper horizons of soils. The mobile forms of zinc and cadmium in sod-gley soils are elevated and often exceed the country's current regulatory indicators. The post-agrogenic soils are characterized by high concentrations of mobile phosphorus, mobile potassium, zinc and cadmium. The most environmentally hazardous are local pyrogenic formations containing concentrations of heavy metals higher than regulatory indicators. The destruction of organogenic horizons entails the transformation of the forms of heavy metal compounds, leads to a decrease in the proportion of strongly bound compounds, increases the risks of aerogenic and lateral migration. The greatest danger is cadmium, the share of the exchange (most labile) fraction of which in the polluted soils increases and amounts to 20—30 %.
Ключевые слова: тяжелые металлы, формы соединений, трансформация, почвы, городские лесопарковые ландшафты.
Keywords: heavy metals, compound forms, transformation, soils, urban forest-park landscapes.
Введение
Несмотря на то что большая ч асть Москвы занята зданиями и искусственными покрытиями, площадь открытых почв в городе достаточно велика. В основном это территории лесопарковых ландшафтов, почвы которых (как и растения) участвуют в поглощении и депонировании потоков загрязняющих веществ. Количественная оценка и формы нахождения соединений тяжелых металлов в почве, прочность (или непрочность) их связи с определенными почвенными компонентами во многом определяют их поведение в ландшафте и возможность миграции в сопредельные среды. Анализ и обобщение экологической информации о состоянии почв лесопарковых ландшафтов необходимы для обоснования
природоохранных программ и принятия грамотных управленческих решений по оздоровлению природной среды мегаполиса.
Территория исследуемого района вошла в черту Москвы в 1960 году. Впервые эта местность упоминается в писцовых книгах в 1585 году. В то время здесь существовала усадьба. Впоследствии здесь находились сельские поселения и дачи. В настоящее время на территории Лианозово находятся кварталы современных домов, рядом пролегает Алтуфьевское и Дмитровское шоссе, которые огибает МКАД, действуют промышленные предприятия. Значительную часть территории занимает лесопарковый массив, наличие которого благоприятствует стабилизации экологической обстановки района.
Исследование почв лесопарковых ландшафтов Лианозово и изучение содержания и форм нахождения в них тяжелых металлов явилось задачей нашей работы.
Объекты и методы
Исследования велись на территории лесопарковых ландшафтов района Лианозово СевероВосточного округа Москвы. Работы проводились в соответствии с Методическими рекомендациями по оценке загрязнения городских почв и снежного покрова, разработанных в Почвенном институте им. В. В. Докучаева [1]. Разложение почвенных проб для определения валового содержания ТМ велось с использованием микроволновой системы Milestone Start D. Подвижные формы экстрагировались ацетатно-аммонийным буфером (рН 4,8) [2]. Определение ТМ выполнялось атомно-абсорбционным методом на анализаторе Agilent АА240. Последовательное фракционирование соединений тяжелых металлов проводилось по методу Тессиера [3], при этом были выделены фракции: первая фракция ТМ (Ех) — обменная, извлекается растворами нейтральных солей; вторая фракция ТМ(AcNa) — характеризует непрочно связанные, специфически сорбированные
соединения (экстрагируемые ацетатом натрия при рН 5), в авторской интерпретации характеризует группу тяжелых металлов, связанных с карбонатами. Поскольку вопрос о связях элементов, переходящих в эту фракцию, является дискуссионным [4], ограничимся термином — непрочно связанные, специфически сорбированные. Третья фракция (Ох) представлена соединениями тяжелых металлов, связанных с несиликатными соединениями Ее и Мп. Четвертая фракция (Ог) характеризует тяжелые металлы, связанные с органическим веществом. Пятая фракция (И8), именуемая остаточной, представлена металлами, прочно связанными с силикатами, карбидами, устойчивыми органомине-ральными соединениями.
Расположение площадок отбора почвенных проб представлено на картосхеме (рис. 1).
Результаты и обсуждение
Площадки 1, 2 заложены около Большого Самотечного пруда, обрамленного полосой кустарника и высаженными деревцами. Почва площадок — реплантозем, с реакцией среды близкой к нейтральной, с высоким содержанием органического углерода, высокой обеспеченностью подвижным калием и средним содержанием фосфо-
ра. Содержания тяжелых металлов не превышают ПДК и находятся в диапазонах: Сё 0,1—0,2, 2п 90—127, РЬ 23—27, N1 28—39, Си 25—59, Л8 5—9 мг/кг.
Площадка 3 расположена в парке между Алтуфьевским шоссе, МКАД и Самотечным прудом. Результатами исследований показано повышенное содержание органического углерода. Содержание валового мышьяка (16 мг/кг) и валового цинка (222 мг/кг), а также подвижного свинца (6,2 мг/кг) и подвижного цинка (25,2 мг/кг) превышают ПДК. Содержания остальных элементов на уровне фона.
Площадка 4 заложена в Лианозовский лесопарке. Почва кислая (рНн2о 5,7—5,2), низкое содержание подвижного фосфора, что типично для нативных почв таежно-лесной зоны.
Содержания тяжелых металлов в нативных почвах участка не превышают ПДК, содержание цинка в верхнем горизонте выше фоновых значений, содержание остальных элементов на уровне фона.
Поскольку на территории Лианозово когда-то находились усадьбы и дачи, то при обследовании парковых ландшафтов было зафиксировано присутствие постагрогенных дерново-подзолистых
почв (площадки 5 и 9). Для постагрогенных почв характерна высокая обеспеченность подвижным фосфором и калием, повышенное содержание органического углерода. Содержания цинка и кадмия в постагрогенной почве площадки 5 выше фоновых значений этих элементов, содержания остальных тяжелых металлов не превышают ПДК. Повышенное содержание цинка в почвах агросе-литебных ландшафтов может определяться поступлением в почву отходов жизнедеятельности животных, богатых этим элементом. На химический состав и трансформацию постагрогенных почв площадки 9 (кроме влияния прошлой сельскохозяйственной деятельности, а также поступления строительного мусора) оказало воздействие близкое расположение МКАД. Содержания цинка (412 мг/кг) и кадмия (5,6 мг/кг) в почвах значительно превышают действующие отечествен -ные нормативы (220 мг/кг для цинка и 2 мг/кг для кадмия).
Почвы площадок 6 и 8 — дерново-подзолистые суглинистые, кислые, содержание ТМ не превышают ПДК. Содержание цинка и кадмия превышает региональный фоновый уровень.
Почвы площадок 7 и 10 — дерново-глеевые. Почва слабокислая со средней обеспеченностью
Таблица 1
Содержание тяжелых металлов и мышьяка в дерново-подзолистой суглинистой почве
площадки 4 Лианозово (мг/кг почвы)
Глубина, см Формы нахождения & Cd 7п РЬ N1 Си Лв
0—10 Валовое содержание 14 — 103 42 28 35 4
Подвижные формы 0,41 0,14 8,82 4,77 2,71 1,11
10—25 Валовое содержание 21 — 59 23 16 13 5
Подвижные формы 0,26 0 1,01 1,96 1,39 0,54
25—30 Валовое содержание 34 — 53 21 20 16
Подвижные формы 0,04 0 0,31 1,3 0,97 0,24
45—55 Валовое содержание 21 — 52 20 28 19 4
Подвижные формы 0,43 0 0,24 1,34 1,15 0,3
Таблица 2
Содержание тяжелых металлов в дерново-глеевой почве, мг/кг (площадки 7, 10 — средние значения)
Глубина, см Форма нахождения Сг Cd 7п РЬ N1 Си Лв Мп
0—10 Валовое содержание 27 1,23 182 33 38 32 7 1836
Подвижные формы 0,54 0,61 25,8 2,06 3,01 1,29 48,74
16—28 Валовое содержание 27 — 92 25 22 17 0 496
Подвижные формы 0,64 0,23 5,4 3,32 2,58 1,03 49,43
45—55 Валовое содержание 14 — 85 24 19 19 0 380
Подвижные формы 0,63 0,12 2,5 1,53 1,72 0,84 57,76
%
80 70 60 50 40 30 20 10 0
%
70 60 50 40 30 20 10 0
Ex
AcNa Ox A
Or
Rs
. I
Ex
AcNa Ox B
Or
Rs
Рис. 2. Распределение соединений цинка по фракциям дерново-подзолистой почвы (А) и по фракциям ее пирогенно-измененного аналога (В) Ех — обменная фракция ТМ. ЛеМа — экстрагируемые ацетатом натрия непрочно связанные, специфически сорбированные соединения ТМ. Ох — соединения ТМ с несиликатными соединениями железа и марганца. Ог — соединения ТМ с органическим веществом. Rs — прочно связанные соединения ТМ, остаточная фракция
фосфатами и высокой обеспеченность калием, с повышенным содержанием органического углерода.
В почвах обследуемых участков зафиксированы повышенные концентрации цинка и кадмия, при этом содержание подвижного цинка в поверхностном горизонте превышает ПДК.
Серьезной экологической проблемой для парков и их экологического состояния является большое количество остатков бывших костров (площадки 4, 11, 12, 13, 14), в результате воздействия которых почва претерпевает значительные изменения. Локальные пирогенные образования на территориях парков многочисленны и чрезвычайно разнообразны по своему химическому составу, однако происходящие в почвах пирогенные процессы имеют общие закономерности и требуют определенной систематизации. В почвах происходит разрушение природного органического вещества, и роль верхнего почвенного горизонта как биогеохимического барьера резко уменьшается [5]. После разрушения гумусового горизонта на поверхности почвенного покрова появляются локальные образования с повышенными концентрациями мышьяка и тяжелых металлов. Диапазон варьирования валовых содержаний металлов (металлоидов) в обследованных грунтах пирогенных образований лесопарковых
ландшафтов Лианозова достаточно широкий и составил для меди 70—1077 мг/кг, для цинка 108— 476 мг/кг, для кадмия 2,0—6,5 мг/кг, для свинца 93—697 мг/кг, для мышьяка 9—32 мг/кг. В дерновых г оризонтах нативных почв (незатронутых пи-рогенными процессами) обследованных лесопарковых ландшафтов концентрации этих элементов составляли: 19—30 мг/кг меди, 42—70 мг/кг цинка, 0,15—0,3 мг/кг кадмия, 15—26 мг/кг свинца, 2—5 мг/кг мышьяка. Пирогенная трансформация почв приводит к изменению их химического состава [6]. При этом происходит изменение соотношений элементов в почвенно-поглощающем комплексе, сдвиг реакции почвенных растворов в сторону подщелачивания, уменьшение доли илистой фракции, увеличение содержания тяжелых металлов в пирогенном горизонте. Разрушение органогенных горизонтов влечет за собой трансформацию форм соединений тяжелых металлов, приводит к уменьшению доли прочно связанных соединений, увеличивает риски аэрогенной и латеральной миграции тяжелых металлов [5].
Сравнительный анализ форм соединений ТМ, проведенный методом последовательного фракционирования по Тессиеру [3] на природных лесопарковых дерново-подзолистых почвах и на их пирогенно измененных аналогах, зафиксировал изменение распределения соединений металлов по фракциям, сопровождаемое уменьшением доли прочно связанных соединений (Rs).
Изменение геохимического фона и усиление загрязнения приводит к трансформации форм соединений тяжелых металлов (рис. 2). В натив-ной дерново-подзолистой почве цинк находится преимущественно в форме прочно связанных соединений (70—72 %), и порядка 12—15 % приходится на соединения металла, связанные с оксидами и гидроксидами железа и марганца. В пирогенно измененных почвах, также как и в загряз -ненных постагрогенных почвах, преобладающая доля цинка связана с оксидами и гидроксидами железа (50—60 %).
В распределении меди по фракциям незагрязненной дерново-подзолистой почвы доминируют прочно связанные соединения (85 %), а затем соединения металла, связанные с органическим веществом (12—13 %), в то время как в пост-агро-генной почве в сорбции меди возрастает роль органического вещества (35—38 %). В пирогенно измененной почве происходит уменьшение прочно связанных соединений меди (15—22 %), в сорбции металла возрастает роль органического вещества (40—43 %) и гидроксидов железа.
В пирогенно измененных почвах увеличивается роль гидроксидов железа в сорбции свинца.
Зафиксирована высокая доля кадмия в обменной фракции загрязненных почв (20—30 %). При этом на долю фракции, связанной с оксидами и гид-роксидами железа, и на долю остаточной фракции приходится порядка 20—25 % и 12—15 %. С увеличением интенсивности загрязнения большая доля кадмия переходит в обменную (лабильную) фракцию и становится биологически доступной для растений [7].
Заключение
Проведены работы по исследованию эколого-геохимического состояния почв лесопарковых ландшафтов района Лианозово Северо-Восточного округа Москвы. Показано, что изменение природного геохимического фона Лианозовского лесопарка на северо-востоке столицы обусловлено как современной антропогенной нагрузкой (Лианозовский электромеханический завод, ТЭЦ, Алтуфьевское и Дмитровское шоссе, МКАД), так и прошлой антропогенной деятельностью (распашкой территории в ходе сельскохозяйственно -го использования).
Почвы исследуемых ландшафтов можно условно разделить на категории:
1) Нативные почвы на территориях лесопарков, слабо затронутые антропогенным воздействием. Почвы (дерново-подзолистые, дерново-глеевые) сохраняют свои природные свойства (кислая реакция, низкое содержание обменных оснований) имеют фоновые содержания тяжелых металлов. Зафиксировано превышение региональных фоновых значений содержаний цинка и кадмия в верхних г оризонтах почв. Эти превышения наиболее ярко проявляются на дерново-гле-евых почвах, приуроченных к подчиненным элементам ландшафтов. Превышение региональных фоновых значений содержаний тяжелых металлов в верхних горизонтах почв может быть обусловлено аэрогенными выбросами предприятий и воздействием близлежащих трасс.
2) Трансформированные почвы со следами прошлого и современного антропогенного воздействия:
а) Постагрогенные почвы на территории Лианозово являются результатом прошлого антропогенного воздействия. На территориях бывших пашен в профиле под естественным гумусо-аккуму-лятивным горизонтом находится старопахотный (постагрогенный) горизонт. Верхние горизонты почв характеризуются повышенными содержания подвижного фосфора и калия, повышенными содержаниями цинка и кадмия;
б) Многочисленные локальные пирогенные образования, возникшие в результате разжигания костров, — результат современного негативного воздействия. Представляют наибольшую экологическую угрозу. Сопровождаются значительным повышением концентраций ТМ, уменьшением доли прочно связанных соединений, увеличением рисков аэрогенной, профильной и латеральной миграции тяжелых металлов. Зафиксирована высокая доля кадмия в обменной (наиболее лабильной) фракции загрязненных почв, достигающая 20—30 %;
3) Почвы на насыпных грунтах сконструированных ландшафтов несут на себе свойства использованных при их устройстве грунтов. Реп-лантоземы Лианозова характеризуются повышенным содержанием органического углерода, высокой обеспеченностью подвижным калием. Содержание цинка и кадмия превышает фоновые значения, но ниже ПДК. Содержание остальных ТМ в пределах региональных фоновых концентраций.
Исследованиями выявлены территории повышенного экологического риска, к которым следует отнести локальные пирогенные образования; почвы, находящиеся в подчиненных элементах ландшафта, а также участки около крупных трасс. В большинстве случаев содержание тяжелых металлов в почвах лесопарковых ландшафтов Лианозово находится в пределах региональных фоновых концентраций. Исключением являются цинк и кадмий, содержание которых в почвах превышает фоновые концентрации. Полученная информация о формах соединений тяжелых металлов способствует усовершенствованию методологии агроэкологического мониторинга.
Библиографический список
1. Методические рекомендации по оценке загрязненности городских почв и снежного покрова тяжелыми металлами / В. А. Большаков, Ю. Н. Водяницкий, Т. И. Борисочкина, З. Н. Кахнович, Мясников В. В. — М.: Почвенный ин-т им. В. В. Докучаева, 1999. — 32 с.
2. Минкина Т. М., Мотузова Г. В., Назаренко О. Г. Состав соединений тяжелых металлов в почвах. — Ростов-на-Дону: Изд-во «Эверест», 2009. — 208 с.
3. Tessier A., Campbell P. G.C., Bisson M. Sequential extraction procedure for speciation of particulate trace metals // Analytical chemistry. — 1979. — V. 51, N. 7. — P. 844—850.
4. Переломов Л. В., Пинский Д. Л. Формы Mn, Pb и Zn в серых лесных почвах Среднерусской возвышенности // Почвоведение. — 2003. — № 6. — С. 682—691.
5. Борисочкина Т. И., Маркина Л. Г. Процессы пирогенной трансформации в почвах лесопарковых ландшафтов // Почвоведение — продовольственной и экологической безопасности страны: Тезисы докладов VII съезда почвоведов. 2016. С. 69—70.
6. Горохова И. Н., Борисочкина Т. И., Шишконакова Е. А. Исследование городских экосистем на основе материалов дистанционного зондирования // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. — 2014 — № 2. — С. 97—101.
7. Adriano D. C. Trace Elements in Terrestrial Environments. Biogeochemistry, Bioavailability, and Risks of Metals. — New York: Springer, 2001. 867 p.
HEAVY METALS AND FORMS OF THEIR COMPOUNDS IN THE SOILS OF FOREST PARK LANDSCAPES OF NORTH-EASTERN ADMINISTRATIVE OKRUG OF MOSCOW: A CASE STUDY OF THE LIANOZOVO DISTRICT
T. I. Borisochkina, Senior Researcher, V. V. Dokuchaev Soil Science Institute, Moscow, Russia, geotibor@gmail.com, K. A. Kolchanova, Researcher, V. V. Dokuchaev Soil Science Institute, Moscow, Russia, kolchanovakseniia@yandex.ru, T. I. Gorokhova, Senior Researcher, V. V. Dokuchaev Soil Science Institute, Moscow, Russia, g-irina14@yandex.ru
References
1. Metodicheskie rekomendatsii po otsenke zagryaznennosti gorodskikh pochv i snezhnogo pokrova tyazhelymi metallami [Guidelines for assessing the pollution of urban soils and snow cover]. Compiled by V. A. Bol'shakov, Yu. N. Vodyanitskiy, T. I. Borisochkina, Z. N. Kakhnovich, V. V. Myasnikov. Moscow, Pochvennyi in-t im. V. V. Dokuchaeva. 1999 [in Russian].
2. Minkina T. M., Motuzova G. V., Nazarenko O. G. Sostav soedinenii tyazhelykh metallov v pochvakh. [Composition of heavy metal compounds in soils]. Everest, Rostov-na-Donu. 2009. 208 p. [in Russian].
3. Tessier A., Campbell P. G.C., Bisson M. Sequential extraction procedure for speciation of particulate trace metals. Analytical chemistry. 1979. Vol. 51. No. 7. P. 844—850.
4. Peremolov L. V., Pinsky D. L. Forms of Mn, Pb and Zn in grey forest soils of the Central Russian Upland. Soil science. 2003. No. 6. P. 682—691 [in Russian].
5. Borisochkina T. I., Markina L. G. Processy pirogennoj transformacii v pochvah lesoparkovyh landshaftov. [Pyrogenic transformation processes in the soils of forest park landscapes]. In: Pochvovedenie — prodovol'stvennoj i ekologicheskoj bezopasnosti strany. Tezisy dokladov VII s'ezda pochvovedov. Soil science — food and environmental security of the country. Abstracts of the VII Congress of Soil Scientists-2016]. 2016. P. 69—70 [in Russian].
6. Gorokhova I. N., Borisochkina T. I., Shishkonakova E. A. Issledovanie gorodskih ekosistem na osnove materialov distan-cionnogo zondirovaniya [Research of urban ecosystems based on remote sensing materials]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Geodeziya i aerofotos'emka. 2014. No. 2, P. 97—101 [in Russian].
7. Adriano D. C. Trace Elements in Terrestrial Environments. Biogeochemistry, Bioavailability, and Risks of Metals. New York, Springer, 2001. 867 p.
