ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ ВО ФРАКЦИЯХ РАЗНОЙ ДИСПЕРСНОСТИ ПОЧВ ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ (НА ПРИМЕРЕ КУРСКОГО РЕГИОНА) Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

УДК 631.42:556.555.8

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ ВО ФРАКЦИЯХ РАЗНОЙ ДИСПЕРСНОСТИ ПОЧВ ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ (НА ПРИМЕРЕ КУРСКОГО РЕГИОНА)

DOI: 10.24412/1728-323X-2021-4-35-42

Т. И. Борисочкина, старший научный сотрудник, ФГБНУ Почвенный институт им. В. В. Докучаева, geotibor@gmail.com,

О. В. Кайданова, научный сотрудник, ФГБУН Институт географии РАН, Россия, Москва

O.V.Kaydanova@igras.ru, г. Москва, Россия

Исследовано распределение тяжелых металлов по гранулометрическим фракциям разной дисперсности в почвах природно-антропогенных и аграрных ландшафтов импактной зоны Курского аккумуляторного завода, в почвах природных ландшафтов Курской биосферной станции и в почвах агроландшафтов вне зоны воздействия промышленных выбросов. Вычленена роль фракций разной дисперсности в аккумуляции тяжелых металлов загрязненными почвами. Установлено, что максимальная доля тяжелых металлов (в % от валового содержания) в загрязненных супесчаных и легкосуглинистых почвах города приурочена к фракции пыли и тонкого песка.

The distribution of heavy metals by fractions of different dispersion in the soils of natural and anthropogenic landscapes of the impact zone of the Kursk battery plant, in the soils of natural landscapes of the Kursk Biosphere Station and in those of agricultural landscapes outside the zone of exposure to industrial emissions is studied. The significance of fractions of different dispersion in the accumulation of heavy metals in polluted soils has been clarified.

It is established that the maximum share of heavy metals in % of the gross content in polluted sandy loam and light loamy soils contains in the fraction of dust and fine sand.

Ключевые слова: природные и антропогенные ландшафты, загрязнение почв, тяжелые металлы, гранулометрические фракции.

Keywords: natural and anthropogenic landscapes, soil pollution, heavy metals, particle-size fractions.

Введение. Антропогенные ландшафты импакгаых зон воздействия промышленных предприятий претерпевают процессы химической трансформации. Многолетними работами по геохимическому обследованию ландшафтов Курской области установлено, что сокращение промышленных выбросов в 90-е годы замедлило темпы аккумуляции почвами ТМ, однако сформировавшиеся в период высокой техногенной нагрузки ареалы загрязнения сохраняются, и уровень загрязнения почв усиливается [1-4].

Одним из крупных источников промышленного поступления ТМ в ландшафты Курского региона является Курский аккумуляторный завод (КАЗ) — один из ведущих производителей аккумуляторов в стране, осуществляющий их выпуск с 1952 года.

Многолетние исследования авторов и литературные данные свидетельствуют о д остаточной изученности геохимической трансформации ландшафтов в зоне воздействия КАЗа, констатирующей изменение валовых содержаний ТМ в почвах, растениях, снеговом покрове. Также дана оценка динамики накопления загрязнителей в ландшафтах. Вместе с тем практически неисследованными остаются вопросы аккумуляции ТМ гранулометрическими фракциями различной дисперсности в почвах ландшафтов, загрязненных аэротехногенными выбросами промышленных предприятий. Актуальность и своевременность исследований этого направления связана с тем, что обогащенные тяжелыми металлами фракции могут участвовать в латеральном переносе загрязнителей. Результаты данных исследований необходимы для прогнозирования (в дальнейшей перспективе) возможности переноса металлов в сопряженные ландшафты и опасности их вторичного загрязнения.

Целью работы являлось исследование распределения металлов во фракциях разной дисперсности в почвах природных ландшафтов, агроландшафтов и природно-антропогенных ландшафтов зон воздействия КАЗа для установления роли фракций в аккумуляции ТМ в загрязненных почвах.

№ 4, 2021

35

Объекты и методы. Специфика городской застройки г. Курска такова, что в импактной зоне завода оказались антропогенные ландшафты селитебной зоны. Большая часть селитебной зоны представлена частным сектором с приусадебными участками — агроландшафтами.

Объектом исследований являлись почвы природно-антропогенных ландшафтов импактной зоны КАЗа (в 200 м к северу от завода), почвы агроландшафтов в зоне воздействия КАЗа (в 1 и 1,2 км к северу от КАЗа), и почвы фоновых территорий: природных ландшафтов Курской биосферной станции ИГ РАН (в 12 км к югу от КАЗа) и агроландшафтов, находящихся в 20 км к юговостоку от КАЗа (поселок Петринский). Гранулометрический состав почв определялся пирофосфатным методом [5]. Выделение гранулометрических фракций велось методом отмучивания. Для определения валового содержания тяжелых металлов (ТМ) проводилось кислотное микроволновое разложение проб в автоклавах. Подвижные формы ТМ извлекались ацетатно-аммонийным буфером (ААБ) с рН 4,8. Анализ содержания ТМ выполнялся методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ISP — MS).

Результаты и обсуждение. Анализ поведения ТМ в природных и природно-антропогенных ландшафтах предполагает комплексность исследования физических и химических свойств почв, определяющих миграцию и аккумуляцию ТМ в почвах.

Природно-антропогенный ладшафт, 0,2 км от КАЗа, почва супесчаная (л. 1). Исследования показали, что в почве природно-антропогенного ландшафта импактной зоны КАЗа произошло облегчение гранулометрического состава почвы за счет разрушения природного органического вещества (табл. 1).

Высокие содержания органического углерода в почве этого ландшафта (Сорг. — 8,2 %) обуслов-

лены не природными гумусовыми веществами, а антропогенными поступлениями в почву сажи, бензапирена и т. п. Валовые содержания Cd, Pb, Ni в почве превышают действующие в РФ нормативные показатели (ОДК) для Cd — в 25 раз, для Pb в 6,5 раз, для Ni в 13 раз [6]. Тяжелые металлы, экстрагируемые ААБ (рН 4,8), входят в состав соединений, непрочно удерживаемых почвой, для характеристики которых часто используется термин «обменные» [7]. Содержания подвижных (обменных) соединений металлов, экстрагируемых ААБ, выше ПДК и составили соответственно для Cd, Pb и Ni значения 5,6—6,4; 30,0—30,6 и 14,1 мг/кг.

Химический анализ гранулометрических фракций супесчаной почвы природно-антропогенного ландшафта в импактной зоне КАЗа показал, что самые высокие концентрации Zn, Pb, Cd зафиксированы в илистой фракции (рис. 1.1, 1.2, 1.3).

Такой вариант распределения металлов можно назвать классическим, поскольку сорбционная способность почв возрастает с увеличением дисперсности почвенных частиц. При этом илистые частицы, как правило, обогащены вторичными минералами групп монтмориллонита и гидрослюд, которые являются активными сорбентами.

Исключением из представленного классического ряда распределения металлов по фракциям (рис. 1.1, 1.2, 1.3) в загрязненной почве природно-антропогенного ландшафта стал никель, максимальная концентрация которого была зафиксирована во фракции средней пыли (рис. 1.4), последнее объясняется выпадением больших количеств никеля в импактной зоне КАЗа преимущественно с более крупнодисперсной фракцией, то есть со средней пылью.

Исследованиями показано, что максимальная доля тяжелых металлов (в % от валового содержания) в загрязненной супесчаной почве при-ро дно-антропогенного ландшафта сосредоточена

Таблица 1

Гранулометрический состав почв исследуемых ландшафтов (%)

Размер фракций, мм Ландшафты*

1 2 3 4 5

1,0—0,25 Крупный и средний песок 54,14 21,23 27,3 1,75 1,32

0,25—0,05 Мелкий песок 21,63 35,64 28,3 7,15 7,28

0,05—0,01 Крупная пыль 13,89 28,12 22,0 42,51 41,02

0,01—0,005 Средняя пыль 3,29 5,21 5,66 7,48 11,25

0,005—0,001 Мелкая пыль 3,8 3,9 6,04 13,16 12,97

<0,001 ил 3,25 5,9 10,7 27,95 26,16

>0,01 Физический песок 89,66 84,99 77,6 51,41 49,62

<0,01 Физическая глина 10,34 15,01 22,4 48,59 50,38

* Примечание: 1 — Природно-антропогенный — 0,2 км от КАЗа; 2 — Агроландшафт, 1 км от КАЗа; 3 — Агроландшафт, 1,2 км от КАЗа; 4 — Агроландшафт, 20 км от КАЗа; 5 — Природный, 12 км от КАЗа.

36

№ 4, 2021

мг/кг мг/кг мг/кг

Zn Zn

Размер фракции Размер фракции

А В

Рис. 1.1. Концентрации Zn в гранулометрических фракциях супесчаной почвы природно-антропогенного ландшафта импактной зоны КАЗа (А) и долевое распределение металла по фракциям в % от валового содержания (В)

РЬ РЬ

Размер фракции Размер фракции

А В

Рис. 1.2. Концентрации Pb в гранулометрических фракциях супесчаной почвы природно-антропогенного ландшафта импактной зоны КАЗа (А) и долевое распределение металла по фракциям в % от валового содержания (В)

Cd Cd

<0,001 0,005—0,001 0,01—0,005 0,25—0,01 1,0—0,25 < 0,001 0,005—0,0010,01—0,005 0,25—0,01 1,0—0,25

Размер фракции Размер фракции

А В

Рис. 1.3. Концентрации Cd в гранулометрических фракциях супесчаной почвы природно-антропогенного ландшафта импактной зоны КАЗа (А) и долевое распределение металла по фракциям в % от валового содержания (В)

№ 4, 2021

37

Ni Ni

Размер фракции

A

В

Рис. 1.4. Концентрации Ni в гранулометрических фракциях супесчаной почвы природно-антропогенного ландшафта импактной зоны КАЗа (А) и долевое распределение металла по фракциям в % от валового содержания (В)

во фракции пыли и тонкого песка и составляет для Pb — 82 %, для Ni — 91 %, для Zn 84 %, для Cd — 54 %. Главным носителем исследуемых ТМ становится фракция крупной пыли и тонкого песка. Превалирующая роль фракции пыли и тонкого песка (по сравнению с илистой фракцией) в аккумуляции ТМ объясняется очень низким содержанием ила (3,25 %) в исследуемой почве, при котором ил не может являться доминирующим носителем металлов.

Агроландшафты в импактной зоне воздействия КАЗа (л. 2 — супесчаная почва, 1 км от КАЗа; л. 3 — легкосуглинистая почва,1,2 км от КАЗа)

Ранее проведенными работами было установлено наличие полиэлементной аномалии в импактной зоне КАЗа, затронувшей почвы приусадебных участков [1, 2], что было подтверждено нашими дополнительными исследованиями.

Почвы агроландшафтов импактной зоны КАЗа неоднородны по степени загрязнения ТМ (табл. 2). Содержания Zn, Ni, Pb, Cd в верхних горизонтах супесчаной почвы агроландшафта (л. 2)

превышают существующие нормативные показатели. Зафиксировано значительное загрязнение легкосуглинистой почвы (л. 3) кадмием, переход подвижной формы которого в ацетатно-аммонийную вытяжку превосходил нормативные показатели (ОДК — 2,0 мг/кг), разработанные для валовых содержаний элемента.

Анализ распределения ТМ по гранулометрическим фракциям супесчаной почвы агро ландшафта (1 км от КАЗа) показал, что м аксимальные концентрации кадмия и цинка наблюдаются в илистой фракции (рис. 2.1, 2.2).

В то же время максимальные концентрации свинца были зафиксированы во фракции мелкой пыли. Концентрации никеля в илистой фракции и фракции мелкой и средней пыли достаточно бдизки (рис. 2.3, 2.4). Максимальные доли ТМ (в % от валового содержания) — Zn, Cd, Pb, Ni сосредоточены во фракции тонкого песка и крупной пыли. В супесчаной почве агроландшафта фракция пыли и тонкого песка аккумулировала 86 % Pb, 85 % Ni, 79 % Cd, 72 % Zn.

Таблица 2

Содержание подвижных форм ТМ (извлекаемых ААБ, рН 4,8) в почвах агроландшафтов импактной зоны КАЗа (средние значения, мг/кг)

Глубина, см Cd Pb Ni Zn Cu Co Mn

Агроландшафт, 1 км от КАЗа, почва супесчаная (л. 2)

О I NJ О 1,85 10,7 4,28 24,2 0,22 0,17 80,9

Агроландшафт, 1,2 км от КАЗа, почва легкосуглинистая (л. 3)

0—20 2,11 4,08 2,51 8,25 0,15 0,01 93,4

ПДК [8] * 6 4 23 3 5 140

* Нормативные показатели (ПДК) для подвижных форм Cd отсутствуют. Утверждены нормативы (ОДК) для валовых содержаний Cd, которые на песчаных и супесчаных почвах составляют 0,5 мг/кг, на суглинистых и глинистых (при рН > 5,5) — 2,0 мг/кг [6].

38

№ 4, 2021

Zn Zn

Размер фракции Размер фракции

А В

Рис. 2.1. Концентрации Zn в гранулометрических фракциях супесчаной почвы агроландшафта импактной зоны в 1 км от КАЗа (А) и долевое распределение металла по фракциям в % от валового содержания (В)

Cd

Размер фракции А

Cd

Рис. 2.2. Концентрации Cd в гранулометрических фракциях супесчаной почвы агроландшафта импактной зоны в 1 км от КАЗа (А) и долевое распределение металла по фракциям в % от валового содержания (В)

№

А

№

70,0%

60,0%

50.0 %

40.0 %

30.0 %

20.0 % 10,0 %

0,0 %

65,9%-

—13,0%—| 19,4%

1,7%

<0,001 0,01—0,001 0,25—0,01 1,0—0,25

Размер фракции В

Рис. 2.3. Концентрации Ni в гранулометрических фракциях супесчаной почвы агроландшафта импактной зоны в 1 км от КАЗа (А) и долевое распределение металла по фракциям в % от валового содержания (В)

Интересные зависимости были выявлены для легкосуглинистой почвы агро ландшафта в 1,2 км от КАЗа. Максимальные количества ТМ здесь были приурочены к илистой фракции и к фракции крупной пыли (рис. 3.1).

Максимальная доля ТМ была сконцентрирована во фракции пыли и тонкого песка (72 % Pb, 68 % Ni, 57 % Zn и Cd). В аккумуляции ТМ в легкосуглинистой почве повысилась роль илистой фракции.

№ 4, 2021

39

Pb

70,0% 60,0% 50,0% 40,0% 30,0% 20,0% 10,0% -0,0% -

Pb

64,0%-

22,2 %

10,2%

— 3,6 %—

< 0,001 0,01—0,001 0,25—0,01 1,0—0,25

A В

Рис. 2.4. Концентрации Pb в гранулометрических фракциях супесчаной почвы агроландшафта импактной зоны в 1 км от КАЗа (А) и долевое распределение металла по фракциям в % от валового содержания (В)

70 --------------------------------------------------- 40,0 %

35,2 %

Размер фракции Размер фракции

А В

Рис. 3.1. Концентрации Zn в гранулометрических фракциях легкосуглинистой почвы агроландшафта импактной зоны в 1,2 км от КАЗа (А) и долевое распределение металла по фракциям в % от валового содержания (В)

Почвы фоновых ландшафтов. В качестве фоновых участков рассматривались: агроландшафт (л. 4) — поле в 20 км к ю-в от КАЗа — и природный степной ландшафт КБС ИГ РАН в 12 км к югу от КАЗа (табл. 3).

Доля подвижных соединений тяжелых металлов (в % от валового содержания) в тяжелосуглинистых ч ерноземных почвах фоновых природных и агроландшафтов составляет n — n •lO-1 %, в то

время как содержание подвижных форм ТМ (в % от валового содержания) в импактной зоне КАЗа составляет для Cd — 30—50 %, Pb — 12—14 %, Ni — 5,5 %, что является одной из характеристик интенсивности процессов трансформации почв импактной зоны.

Распределение концентраций элементов по фракциям незагрязненной тяжелосуглинистой почвы агроландшафта носит классический ха-

Таблица 3

Содержание подвижных форм ТМ (извлекаемых ААБ, рН 4,8) в почвах фоновых территорий

(средние значения, мг/кг)

Глубина, см Cd Pb Ni Zn Cu Co Mn

О 1 to о 0,001 Агроландшафт, 20 км от КАЗа Чернозем типичный окультуренный тяжелосуглинистый | 0,14 | 0,25 | 0,11 | 0,01 | 0,14 | 101

0 1 to о 0,001 КБС, степь Чернозем типичный тяжелосуглинистый (мг/кг). | 0,35 | 0,27 | 0,79 | 0,01 | 0,13 | 71,9

40

№ 4, 2021

Zn

200

150 -

100 -

50 -

30

-

< 0,001 0,01—0,001 0,25—0,01 1,0—0,25 Размер фракции РЬ

<0,001 0,01—0,001 0,25—0,01 1,0—0,25

Размер фракции

<0,001 0,01—0,001 0,25—0,01 1,0—0,25

Размер фракции

Ni

Размер фракции

Рис. 4.1.Распределение концентраций ТМ по фракциям разной дисперсности тяжелосуглинистой почвы агроландшафта

(20 км от КАЗа)

Zn Ni

Рис. 4.2. Долевое распределение металлов по фракциям тяжелосуглинистой почвы фонового агроландшафта

в % от валового содержания

рактер. Максимальная концентрация элементов приурочена к илистой фракции и убывает по мере увеличения ее размера (рис. 4.1).

Аналогичный классический вариант распределения концентраций металлов по фракциям прослеживается для тяжелосуглинистых почв КБС.

Анализ распределения ТМ по фракциям тяжелосуглинистых ч ерноземных почв фоновых ландшафтов (степного природного и агроландшафта) зафиксировал рост доли илистой фракции в аккумуляции металлов (рис. 4.2).

Заключение. Распределение ТМ по фракциям разной дисперсности, в загрязненных аэротехно -генными выпадениями почвах, не всегда однозначны. Исследованиями установлено, что в аккумуляции ТМ в загрязненных почвах импактной зоны КАЗа активно участвуют фракции ила, мелкой и средней пыли, крупной пыли и тонкого песка.

Доля ТМ во фракции пыли и тонкого песка в загрязненной супесчаной почве природно-антропогенного ландшафта составила для Pb — 82 %, для Ni — 91 %, для Cd — 54 %, для Zn — 84 %. В супесчаной почве агроландшафта импактной

№ 4, 2021

41

зоны КАЗа фракция пыли и тонкого песка аккумулировала 86 % Pb, 85 % Ni, 79 % Cd, 72 % Zn. В легкосуглинистой почве агроландшафта во фракции пыли и тонкого песка было сконцентрировано 72 % Pb, 68 % Ni, 57 % Zn и Cd.

Коэффициенты концентрации ТМ в гранулометрических фракциях разной дисперсности (отношение содержания элемента во фракции загрязненной почвы к его концентрации в этой же фракции фоновой почвы) убывают в ряду Cd ^ Pb ^ Zn ^ Ni.

Несмотря на то что илистая фракция является сильнейшим аккумулятором ТМ, в загрязненных супесчаных и легкосуглинистых почвах импакт-

ной зоны КАЗа м аксимальная доля металлов (в % от валового содержания) сконцентрирована во фракции пыли и тонкого песка, что следует учитывать при прогнозе вторичного загрязнения ландшафтов.

Работа выполнена по теме ГЗ ФГБУН ИГ РАН № 0148-2019-0007 «Оценка физико-географических, гидрологических и биотических изменений окружающей среды и их последствий для создания основ устойчивого природопользования» и по теме ГЗ ФГБНУ Почвенного института им. В. В. Докучаева № 0591-2019-0024 «Разработать критерии оценки рисков деградации почв».

Библиографический список

1. Борисочкина Т. И., Кайданова О. В. Проведение сопряженного мониторинга ландшафтов в зоне аэротехногенного загрязнения // Бюллетень Почвенного ин-та им. В. В. Докучаева. 2009. — Т. 64. С. 57—66.

2. Кайданова О. В., Замотаев И. В., Кудерина Т. М., Курбатова А. Н., Суслова С. Б., Шилькрот Г. С. Современные тенденции распределения тяжелых металлов в городских ландшафтах Курской области // Проблемы региональной экологии, № 4, 2014. — С. 54—60.

3. Замотаев И. В., Кайданова О. В., Кудерина Т. М., Суслова С. Б., Шилькрот Г. С. Динамика загрязнения тяжелыми металлами городских ландшафтов Курской области // Геополитика и экодинамика регионов. Т. 10. — № 4. — 2014. — С. 322—327.

4. Кайданова О. В., Борисочкина Т. И., Суслова С. Б., Замотаев И. В., Тельнова Н. О. Тяжелые металлы в почвах свалки промышленных отходов (Курская область) // Экология урбанизированных территорий. № 3. — 2019. — С. 41—48.

5. Полевые и лабораторные методы исследования физических свойств и режимов почв: методическое руководство. — М.: Изд-во МГУ, 2001. — 200 с.

6. Гигиенические нормативы ГН 2.1.7. 2511—09 утв. 18.05.2009 г.

7. Минкина Т. М., Мотузова Г. В., Назаренко О. Г. Состав соединений тяжелых металлов в почвах. Ростов-на-Дону: Эверест, 2009. — 208 с.

8. Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.2041—06 утв. 19.01.2006 г.

HEAVY METALS IN FRACTIONS OF DIFFERENT SOIL DISPERSION IN NATURAL AND ANTHROPOGENIC LANDSCAPES: A CASE STUDY OF THE KURSK REGION

T. I. Borisochkina, Senior Researcher, V. V. Dokuchaev Soil Science Institute geotibor@gmail.com,

O. V. Kaydanova, Researcher, Institute of Geography RAS, O.V.Kaydanova@igras.ru, Moscow, Russia

References

1. Borisochkina T. I., Kaydanova O. V. Provedenie sopryazhennogo monitoringa landshaftov v zone aerotekhnogennogo za-gryazneniya [The complex monitoring of landscapes in the area of aerotechnogenic pollution by heavy metals]. Dokuchaev Soil Institute Bulletin. 2009. Vol. 64. P. 57—66 [in Russian].

2. Kaydanova O. V., Zamotaev I. V., Kuderina T. M., Kurbatova A. N., Suslova S. V., Shilkrot G. S. Sovremennye tendencii raspredeleniya tyazhelyh metallov v gorodskih landshaftah Kurskoj oblasti [The modern trends of heavy metals distribution in urban landscapes of the Kursk Region]. Regional Environmental Issues, 2014. No. 4. Р. 54—60 [in Russian].

3. Zamotaev I. V., Kaydanova O. V., Kuderina T. M., Suslova S. V., Shilkrot G. S. Dinamika zagryazneniya tyazhelymi met-allami gorodskih landshaftov Kurskoj oblasti [Dynamics of heavy metal pollution of urban landscapes in the Kursk Region]. Geopolitics and ecodynamics of regions. 2014. Vol. 10. No. 4. P. 322—327 [in Russian].

4. Kaydanova O. V., Borisochkina T. I., Suslova S. V., Zamotaev I. V., Telnova N. O. Tyazhelye metally v pochvah svalki pro-myshlennyh othodov (Kurskaya oblast'). Ecology of urbanized areas. No. 3. 2019. P. 41—48 [in Russian].

5. Polevye i laboratornye metody issledovaniya fizicheskih svojstv i rezhimov pochv: metodicheskoe rukovodstvo [Field and laboratory methods for studying the physical properties and regimes of soils: methodological guidance]. Izd. Moscow University, 2001. 200 p. [in Russian].

6. Hygiene standards 2.1.7.2511—09 approved by the decree of the Chief State Sanitary Doctor of the Russian Federation dated 18.05.2009 [in Russian].

7. Minkina T. M., Motuzova G. V., Nazarenko O. G. Sostav soedinenij tyazhelyh metallov v pochvah [Composition of heavy metal compounds in soils)]. Everest, Rostov-na-Donu. 2009. 208 p. [in Russian].

8. Hygiene standards 2.1.7.2041—06 approved by the decree of the Chief State Sanitary Doctor of the Russian Federation dated 01.19.2006 [in Russian].

42

№ 4, 2021