CC BY
38
УДК 911.2:631.4
ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ УСТЬЕВОЙ ОБЛАСТИ РЕКИ СЕВЕРНАЯ ДВИНА
© 2013 г. А.А. Зимовец, Ю.А. Федоров1
Зимовец Алина Александровна - преподаватель, кафедра фи- Zimovets Alina Aleksandrovna - Lecturer, Department of
зической географии, экологии и охраны природы, геолого- Physical Geography, Ecology and Environment Protection,
географический факультет, Южный федеральный универси- Faculty of Geology and Geography, Southern Federal Uni-
тет, ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, e-mail: mir- versity, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, Russia, 344090, e-
[email protected]. mail: [email protected].
Федоров Юрий Александрович - доктор географических наук, Fedorov Yury Aleksandrovitch - Doctor of Geographical Sci-
профессор, заведующий кафедрой физической географии, эко- ence, Professor, Head of Department of Physical Geography,
логии и охраны природы, геолого-географический факультет, Ecology and Environment Protection, Faculty of Geology and
Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов Geography, Southern Federal University, Zorge St., 40, Ros-
н/Д, 344090, e-mail: [email protected]. tov-on-Don, Russia, 344090, e-mail: [email protected].
Представлены пространственное распределение и радиальная дифференциация валовых форм тяжелых металлов в почвенном покрове устьевой области реки Северная Двина. Содержание большинства металлов в различных типах почв не превысило нормативных показателей и находилось на уровне фоновых значений или незначительно превышало его. Превышение нормативов выявлено для концентраций кадмия и хрома. Исходя из особенностей формирования и морфологической структуры почвенного профиля, были определены следующие группы почв: естественные, природно-техногенные и антропогенные. Повышенные концентрации металлов обнаружены в урбопочвах Новодвинска. Низкие содержания тяжелых металлов выявлены в естественных почвах на станции «р. Пинега». Почвенный покров устьевой области р. Северная Двина относится к допустимой категории загрязнения тяжелыми металлами. Уменьшение объемов выноса тяжелых металлов с поверхностным стоком происходит следующим образом: Cr>Zn>Ni>Cu>Pb>Cd>Hg.
Ключевые слова: радиальная дифференциация, тяжелые металлы. валовая форма, урбопочвы, поверхностный сток.
1Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 12-05-00420, НШ-5658.2012.5, Г/К № 14.А18.21.0641, № 213.0124/201388
Spatial distribution and radial differentiation of the heavy metals gross forms in the soil cover of the Northern Dvina River's Estuary are presented. The content of the majority of the metals in various types of soils has not exceeded standard indicators and was at level of background values or slightly exceeded it. The exceeding of the standards for concentrations of cadmium and chromium were found. Based on the characteristics of the formation and morphological structure of the soil profile, the groups of the soils were identified as follows: natural, natural-technological and anthropogenic. The natural soils at the station «Pinega River» the lowest concentrations of the heavy metals were found. The highest concentrations of heavy metals found in the urban soils of the Novodvinsk are discovered. The soil cover of the Northern Dvina River Estuary is belong to permissible category of heavy metal pollution. The reduction of heavy metals volumes with surface run-off occurs in the following order: Cr> Zn> Ni> Cu>Pb> Cd> Hg.
Keywords: radial differentiation, heavy metals, total form, urban soils, surface run-off.
Изучение процессов формирования, миграции и трансформации загрязняющих веществ в различных компонентах окружающей среды является одной из актуальных проблем. При этом почвы, как один из ключевых компонентов природы, представляют собой интегральный индикатор многолетнего загрязнения окружающей среды. С одной стороны, почвенный покров представляет собой депонирующую среду, обусловливающую особенности накопления, перераспределения по почвенному профилю и трансформации тяжелых металлов и, как следствие, их доступность живым организмам. С другой - почвы - основной поставщик различных токсичных соединений вследствие миграции их в подземные и поверхностные воды с гумусовыми веществами, а также с поступлением почвенной влаги в растения.
С целью изучения уровней содержания и особенностей распределения тяжелых металлов в почвенной покрове Севера ЕТР, а также объемов выноса поллю-тантов с плоскостным смывом в ноябре 2009 г. авторами производился отбор образцов почв на территории устьевой области р. Северная Двина [1, 2]. Данная работа является частью регулярных комплексных экспедиционных исследований, проводимых сотрудниками ведущей научной школы под руководством проф. Ю.А. Федорова [3-7].
Методики отбора почвенных колонок различной мощности и определения содержания тяжелых металлов, а также величин показателей pH и Eh подробно описаны в работах [1-6]. Содержания тяжелых металлов выражены в мкг/г с.м. и мг/г с.м. (сухой массы). В ходе исследований были заложены 5 почвенных разрезов (рис. 1).
Всего было отобрано 33 пробы для определения содержания валовой формы №, Pb, Zn, Cd, &, Fe и Mn.
Район исследования характеризуется существенной и разнообразной антропогенной нагрузкой на почвенный покров [1-3]. В этой связи апробация почв была проведена как в пределах селитебных и техногенных ландшафтов (г. Архангельск и Новодвинск), так и в естественных условиях в низовьях р. Пинега. Исходя из особенностей формирования и морфологического строения профиля, в пределах изучаемой территории были выделены следующие группы почв: естественные (условно-ненарушенные), природно-техногенные (поверхностно-преобразованные, или урбопочвы) и антропогенно-глубокопреобразованные (собственно урбаноземы) (рис. 1). Определение почв и их свойств выполнено общепринятыми в почвоведении и агрохимии методами [7-9].
Естественными, или условно-ненарушенными, являются почвы, сохранившие без существенного изме-
нения систему генетических горизонтов. В пределах сельскохозяйственных угодий, подверженных антропогенной модификации зональных почв, характерны изменения строения исходного профиля вследствие перемешивания материала его верхней части и формирования нового мощного поверхностно-турбиро-ванного горизонта - Апах.. При распашке почвы в них резко возрастает микробиологическая активность и происходит разрушение структуры почв, истощение гумуса и элементов питания [2].
Разрез 4 Разрез 5
Рис. 1. Основные морфотипы строения профилей почв водосборной площади устьевой области р. Северная Двина: I. Группа естественных почв (условно-ненарушенные): разрез 1. Аллювиальная дерновая кислая слоистая примитивная почва. Разрез 2. Собственно аллювиальная дерновая кислая почва. II. Группа антропогенно-глубокопреобразованных почв (урбаноземы): разрез 3. Урбанозем мощный на погребенном срезанном профиле аллювиальной дерновой кислой почвы. III. Группа природно-техногенных почв (поверхностно-преобразованные или урбопочвы): разрез 4. Почва подзолистая, иллювиально-железистая, песчаная на хорошо сортированном песке с известняковыми включениями. Разрез 5. Аллювиальная дерновая кислая оподзоленная почва
Отличительной чертой антропогенных почв является отсутствие естественных генетических горизонтов, замененных искусственной конструкцией слоев (горизонт «урбик» - Ц), состоящих из гумусирован-
ного пылеватого субстрата разной мощности и качества с включениями бытового и (или) промышленного мусора. При этом субстратом для данного типа почв служат почвообразующие породы, сохранившие фрагменты профилей исходных почв или культурный слой [2].
Установлено, что динамика, интенсивность и направленность миграции тяжелых металлов в почвенном покрове определяются совокупностью природных условий, в которые они попадают [1, 3, 10]. Для исследуемого региона характерны специфический термический режим, обусловленный продолжительной холодной зимой и коротким прохладным летом, прогрессирующее переувлажнение и заболачивание земель, а также повышенная кислотность почвенного покрова (рН ниже 7,0). При этом следует отметить, что величины рН городских почв сдвинуты в щелочную сторону (6,1-6,7) по сравнению с пригородными почвами (4,5-4,6), что, скорее всего, связано с повы-
шенным содержания обменных катионов (магния, кальция) [1, 10].
В ходе анализа всего массива данных были установлены значимые вариации концентраций тяжелых металлов в почвенном покрове района исследований (рис. 2).
Полученные нами результаты были несколько ниже, чем данные более ранних работ [11, 12]. Вероятно, это связано, с одной стороны, с более облегченным гранулометрическим составом отобранных нами проб, с другой - с тем, что исследования проводились в осенне-зимний период, когда для почв исследуемой территории велика роль мерзлотного экрана.
При сопоставлении величин концентраций тяжелых металлов в отобранных почвенных образцах с существующими нормативами для Си, N1, РЬ и 2и превышения величин ПДК/ОДК не обнаружено. Обратная картина наблюдается для Cd и Сг, для которых отмечается небольшое превышение нормативов в 42 и 33 % случаев соответственно.
Рис. 2. Пределы изменения концентраций в почвах
Средние величины полученных концентраций для фоновые значения по Архангельской области Си большинства металлов были существенно выше, чем (6,33 мкг/г с.м.), N1 (10,67), РЬ (5,87), 2и (27,32) и
Cd (0,1 мкг/г с.м.) [13]. Это указывает на существенное антропогенное воздействие на почвы селитебной и промышленной зоны.
Минимальные уровни содержания для большинства исследуемых тяжелых металлов выявлены на ст. «р. Пинега». Данный участок можно принять за местный фоновый уровень, почвы которого относятся к группе естественных. Таким образом, определены следующие фоновые концентрации: для Си - 21,83 мкг/г с.м., N1 - 41,33, гп - 44,17, Сг - 150,83, Cd - 0,46 и РЬ - 11,75 мкг/г с.м. Максимальные содержания практически всех изучаемых металлов (N1 (58,0 мкг/г с.м., превышение фонового значения в 1,4 раза), РЬ (25,0 мкг/г с.м., в 2,2 раза), гп (61,0 мкг/г с.м., в 1,4 раза) и Бе (38,0 мг/г с.м., превышение фона в 1,6 раза)) обнаружены в урбопочвах Новодвинска, что, скорее всего, связано с влиянием промышленности и автотранспорта города. Высокие содержания Си (33,0 мкг/г с.м.), превышение фона в 1,5 раза) обнаружены в урбаноземах ст. «Соломбаламкг/гс.м.», Cd (0,69 мкг/г с.м., превышение фона в 1,1 раза) и Сг (214,4 мкг/г с.м., превышение фона в 1,4 раза) - в урбопоч-вах в районе с. Усть-Пинега, где сложившаяся ситуация, скорее всего, связана с длительным использованием печного отопления.
Для внутрипрофильного распределения тяжелых металлов также выявлены следующие особенности. В ходе анализа миграции металлов по почвенному профилю установлено, что в аллювиальных почвах наблюдается равномерно элювиальное внутрипрофиль-ное распределение большинства поллютантов с накоплением в нижней, оглеенной части профиля. Для подзолов характерна элювиальная и элювиально -иллювиальная дифференциация металлов (в особенности Си и РЬ), что связано с накоплением их преимущественно в иллювиальном горизонте в составе органо-минеральных комплексов и оксидов Бе и Мп. В урбаноземах повышенные концентрации некоторых элементов (Си, N1 и РЬ) обнаружены в верхней гумусовой части профиля.
С целью определения потенциального уровня загрязнения почв исследуемой территории была использована величина суммарного показателя загрязнения гс, изменяющаяся от 1,9 (условно-ненарушенные и природно-техногенные почвы) до 4,5 (урбопочвы). Это позволяет отнести исследуемый почвенный покров к категории почв с допустимым уровнем загрязнения тяжелыми металлами.
Полученные авторами результаты позволяют не только определить современное экологическое состояние почвенного покрова района исследования, но и оценить миграционные потоки тяжелых металлов. В частности, были рассчитаны объемы поступления исследуемых поллютантов в составе поверхностного стока на акваторию реки Северная Двина. Расчеты выполнялись по стандартной методике, что и ранее при оценке массо-переноса ртути на взвесях с плоскостным смывом [3]. Установлено, что в среднем объемы взвешенных форм металлов, поступающих в Северную Двину с ее водосбора, составили для N1 - 228,1 т/г.; Си - 88,9; РЬ - 65,8; гп -229,2; Cd - 1,8 и Сг - 490,5 т/г. [14]. Для ^ эта величина определена на уровне 0,28 т/г. [3]. Таким образом, ряд последовательности, иллюстрирующий умень-
шение объемов массопереноса приоритетных тяжелых металлов на взвесях с плоскостным смывом, выглядит следующим образом: Сг>2п>№>Си>РЬ>С>^.
Из вышеизложенного следует, что в исследуемом районе обнаружены значимые вариации концентраций металлов в почвенном покрове района исследований. Однако согласно полученным данным превышение существующих нормативов установлено лишь для таких металлов, как Cd и Сг, в 42 и 33 % случаев соответственно.
В пространственном распространении тяжелых металлов в почвах устьевой области Северной Двины повышенные концентрации металлов обнаружены в урбопочвах Новодвинска, что, скорее всего, связано с влиянием промышленности и автотранспорта города. Наблюдается тенденция к снижению концентраций поллютантов при удалении от селитебных и промышленных районов городов Архангельск и Новодвинск. Наиболее низкое содержание большинства металлов получено для условно -ненарушенных почв ст. «р. Пинега».
При исследовании радиального распределения тяжелых металлов в почвах выявлены следующие типы внутрипрофильного распределения: эллювиальный -Cd (все исследуемые почвы), Fe и Сг (аллювиальные почвы), 2п (подзолистые почвы); элювиально-иллювиальный - РЬ, Мп, № (аллювиальные почвы), Мп (подзолистые почвы); аккумулятивно-элювиально-иллювиальный - РЬ и Си (подзолистые почвы).
По величинам суммарного показателя загрязнения почвенный покров территории устьевой области р. Северная Двина относится к допустимой категории загрязнения тяжелыми металлами.
Исследуемые металлы по уменьшению объемов массопереноса в почвах изучаемого района располагаются следующим образом: Cr>Zn>Ni>Cu>Pb>Cd>Hg.
Литература
1. Зимовец А.А. Геохимические условия распределения
тяжелых металлов в наземных и аквальных ландшафтах (на примере устьевой области реки Северная Двина): автореф. дис. ... канд. геогр. наук. Воронеж, 2013. 24 с.
2. Зимовец А.А. Некоторые особенности распределения
тяжелых металлов в почвах севера европейской территории России (на примере почв Архангельской области) // Антропогенная трансформация природной среды: материалы междунар. конф. Пермь, 2010. Т. 1, ч. 1. С. 303-308.
3. Федоров Ю.А., Овсепян А.Э., Доценко И.В. Ртуть в поч-
вах устьевой области р. Северная Двина // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2007. № 6. С. 109114.
4. Федоров Ю.А., Овсепян А.Э., Зимовец А.А., Хромов М.И.
Комплексная эколого-геохимическая экспедиция в устьевой области Северной Двины в весенне-зимний сезон 2008 г. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2009. № 1. С. 110-114.
5. Федоров Ю.А., Овсепян А.Э., Коробов В.Б. Особенности
распределения, миграции и трансформации ртути в водах устьевой области р. Северная Двина // Метеорология и гидрология. 2010. № 4. С. 85-92.
6. Федоров Ю.А., Овсепян А.Э., Коробов В.Б., Доценко И.В.
Донные отложения и их роль в загрязнении ртутью по-
верхностных вод (на примере устья р. Северная Двина и Двинской губы Белого моря) // Метеорология и гидрология. 2010. № 9. С. 44-55.
7. Афанасьев Т.Ф., Василенко В.И., Терешина Т.В., Шере-
мет Б.В. Почвы СССР. М., 1979. 380 с.
8. Классификация и диагностика почв СССР. М., 1977. 223 с.
9. Строганова М.Н., Агаркова М.Г. Городские почвы: опыт
изучения и систематика (на примере почв юго-западной части Москвы) // Почвоведение. 1992. № 7. С. 16-24.
10. Федоров Ю.А., Зимовец А.А., Овсепян А.Э., Доценко И.В.
Физико-химические условия в устьевой области Северной Двины и их влияние на формы нахождения и миграции ртути // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2011. № 2. С. 86-89.
11. Малов А.И. Оценка фонового состояния и антропогенно-
го загрязнения тяжелыми металлами почв и донных от-
Поступила в редакцию_
ложений Ю-В Беломорья // Геоэкология. 2000. № 2. С. 144-149.
12. Попова Л.Ф., Пилюгина М.В. Особенности кумуляции и
миграции химических элементов I класса опасности в почвах урболандшафтов г. Архангельска // Международный журн. прикладных и фундаментальных исследований. 2009. № 4. С. 86-89.
13. Проблемы экологии Архангельской области на рубеже
веков: приоритеты, направления, стратегии / под ред. М. Шрага. Архангельск, 2002. 267 с.
14. Fedorov Yu. A., Zimovec A.A. About the principal sources of
heavy metals in the Northern Dvina River Estuary // Modern Management of Mine Producing, Geology and Environmental Protection: 11th International Multidisciplinary Scientific GeoConference& EXPO SGEM 2011. Albena Complex, Bulgaria, 2011. Vol. 3. P. 171-174.
10 июля 2013 г.
