CC BY
50
Бородина Н.А. ©
Соискатель, инженер-исследователь аналитического центра МГИ ФНБУ Институт геологии и природопользования ДВО РАН, Россия, г. Благовещенск
ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ МАЛОПРОМЫШЛЕННЫХ ГОРОДОВ ПРИАМУРЬЯ
Аннотация
Изучено содержание ТМ (Cu, Zn, Mn, Cr, Ni, Co, Pb, Cd) и дана оценка степени техногенного загрязнения почв малопромышленных городов Приамурья. Главные источники загрязнения - автотранспорт и предприятия топливно-энергетического комплекса. Результаты исследований могут быть использованы для прогнозирования экологической обстановки региона.
Ключевые слова: почвы города, тяжелые металлы, загрязнение почв.
Keywords: soils of town area, heavy metals, pollution of soils.
Введение
В последнее время экологические проблемы все больше привлекают внимание ученых и спе -циалистов различных направлений, т.к. в результате технического прогресса и нерационального использования природных ресурсов антропогенное загрязнение окружающей среды приобрело такие размеры, что стало угрожать здоровью человека и представлять серьезную опасность для будущих поколений.
Важное место в исследованиях урбанизированных территорий занимает изучение почвенного покрова. Загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ) приобретает характер глобальной экологической проблемы из-за разнообразия техногенных источников, активного включения металлов в процессы биохимической миграции и их токсичности для живых организмов. Городские почвы формируется в условиях больших антропогенных нагрузок, поэтому значительно отличаются от естественных аналогов. В результате хозяйственной деятельности человека в окружающую среду поступает из -быточное, по сравнению с природными уровнями, количество многих элементов, зачастую в соедине -ниях и формах, не характерных для природной обстановки [3,148-156].
Даже при сравнительно низких уровнях техногенного поступления концентрации ТМ в почвах постоянно возрастают, так как, в отличие от других групп загрязняющих веществ, они не подвер -гаются какой-либо физико-химической или биологической деградации. ТМ, поступив тем или иным путем в природную среду, аккумулируются в верхних горизонтах почв, включаются в биохимические процессы, концентрируются в звеньях трофических цепей питания и практически не выводятся из экосистем.
Целью работы явилось изучение степени техногенного загрязнения почв ТМ на основании оценки их валового содержания в урбанизированных почвах малых городов Приамурья: Благовещенске, Свободном и Белогорске.
Город Благовещенск — административный центр Амурской области, занимает территорию площадью 321 км2, население 219 тыс. человек. Город находится на границе с КНР, напротив китайского города Хэйхэ. Города Благовещенск и Хэйхэ разделяет река Амур, ширина которой в этой местности около 800 метров.
Основными загрязнителями атмосферного воздуха в г. Благовещенске являются стационарные источники промышленных предприятий, теплоэлектростанций и котельных предприятий коммунального хозяйства, а также передвижные (автомобильный, железнодорожный, водный и авиационный транспорт). Благовещенская ТЭЦ выбрасывает в среднем 31,95 тысяч тонн загрязняющих веществ в год [1,26].
Несмотря на то, что Благовещенская ТЭЦ расположена на окраине города, выбросы ее в направлении господствующих ветров с северо-запада на юго-восток (по розе ветров) направлены на жилые кварталы города и оказывают значительное влияние на экологическую обстановку. Кроме того, в городе находятся и мелкие котельные, которые вносят существенный суммарный вклад в загрязнение его воздушного бассейна.
Город Свободный — второй по величине город Амурской области, в 146 км севернее г. Благовещенска, занимает площадь 225 км2, население - 58,6 тысяч человек.
© Бородина Н.А., 2012 г.
В городе начинается строительство космодрома «Восточный» на базе закрытого военного космодрома «Свободный». Ракетно-космическая техника - это один из важных источников антропогенного воздействия на экосистемы. В связи с этим необходим мониторинг окружающей среды, хотя специалисты Роскосмоса утверждают, что ракеты будут работать на твердом, нетоксичном топливе и никакой экологической угрозы космодром не будет представлять.
Основными загрязнителями атмосферного воздуха в г. Свободном являются железная дорога, промышленные предприятия и объекты жилищно-коммунального хозяйства, в городе много котельных, работающих на угле.
Город Белогорск также является малопромышленным городом, площадью 136 км2 и населением - 68,7 тысяч человек, находится в 110 км к северо/востоку от г. Благовещенска.
Основными загрязнителями атмосферного воздуха в г. Белогорске, как и по всей области, являются объекты жилищно-коммунального хозяйства, автотранспорт и железная дорога. Станция Белогорск — узловая станция, через которую проходят поезда во всех направлениях. Наибольший объем выброшенных загрязняющих веществ приходится и 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. При этом образуется пыль, обогащенная свинцом, цинком и кадмием. [8,335].
В Приамурье на долю автотранспорта приходится 59,9 % от общей массы загрязняющих веществ, т.е. больше, чем на все остальные виды деятельности человека. [1,26].
По данным ГИБДД УВД по Амурской области на декабрь 2010 г. в г. Благовещенске зарегистрировано 68293 единиц автотранспорта. На 1 км2 при плотности населения 685 человек приходится 212 автомобилей.
В г. Свободном зарегистрировано 14453 единицы автотранспорта. На 1 км2 при плотности населения 260 человека приходится 64 автомобиля.
В г. Белогорске зарегистрировано 16923 единицы автотранспорта. На 1 км2 при плотности населения 505 человек приходится 124 автомобиля. Эти данные без учета транзитного транспорта.
Материалы и методы исследования
Отбор образцов почв проводили с июля по сентябрь 2009 г. В г. Благовещенске использовали 35 пробных площадок, в городах Белогорске и Свободном - по 8, включая фоновые, учитывались природные условия и хозяйственная деятельность человека. Отбор проб почв проводился согласно ГОСТ 17.4.3.01-83 [7,3] с учетом горизонтов почв, с глубины 0-20 см, 20-30 см, 30-40 см.
В качестве фона в г. Благовещенске была выбрана территория заповедного урочища Мухинка, расположенная в 38 км северо-восточнее города, а в Белогорске и Свободном — участки лесных массивов, которые испытывают минимальное антропогенное воздействие.
Валовое содержание ТМ в почвах определяли после разложения ее смесью концентрированных кислот: фтористоводородной, азотной и соляной с последующим растворением в горячем раство -ре 1 М соляной кислоты [6,13-20]. Содержание ТМ (Си, 2п, Сг, Мп, Со, №) определяли методом атомно-абсорбционного анализа на спектрофотометре 1 класса «Хитачи»-180-50, в пламени ацетилен-воздух. Свинец и кадмий - на ААС «Анналист 400» по методике КХА ПНДФ 14.1:2.214-06.
Для оценки накопления загрязняющих веществ в почве использовали геохимический показатель - коэффициент концентрации: Кс= С^Сфъ где Кс - коэффициент концентрации; С - концентрация загрязняющего вещества в почве, отобранной в черте города; Cфi - его концентрация в фоновом районе. Суммарный показатель химического загрязнения (2с) рассчитывали по формуле: 2С=ЕКИ - (п-1), где п — число определяемых загрязнителей.
Результаты исследований и их обсуждение
Для почв исследуемых городов характерны повышенные концентрации ТМ по сравнению с фоновой территорией вследствие того, что в условиях города валовое содержание ТМ в почве представляет собой сумму природного элемента плюс техногенный привнос. Максимальное накопление ТМ отмечено для верхних горизонтов городских почв, что, несомненно, связано с антропогенным фактором. В г. Благовещенске превышение ПДК для почв по марганцу обнаружено только в районе Судостроительного завода (в слое 0-20 см), где концентрация Мп — 1647 мг/кг. Наблюдается превышение ПДК для почв по хрому в трех точках города в 1,2-2,4 раза. Источниками загрязнения почв хромом являются промышленные отходы (зола ТЭЦ), разложение бытового мусора (свалки), а также мелкие предприятия по деревообработке и производству мебели (хром выщелачивается из красок и
из пропитанной им древесины). Проведенный анализ показал, что максимальная концентрация по цинку зафиксирована только в Белогорье — 739 мг/кг, что превышает ОДК для песчаных и супесчаных почв в 13 раз. Источниками накопления 2п на данной территории могут быть промышленные выбросы и автотранспортное загрязнение.
Повышенные содержания кадмия обнаружены в районе завода «Амурский металлист», ЖБИ, ТЭЦ и Судостроительного завода, что обусловлено техногенным привносом данного элемента. Источниками поступления Cd являются выбросы промышленных предприятий, т.к. кадмий содержится в лакокрасочных материалах, электродах в батареях и аккумуляторах и применяется как антикоррозийный материал. Также Cd выделяется при сжигании твердого и жидкого топлива и с автотранспортным загрязнением. Накопление кадмия в почвах зависит, в основном, от характера почвообразующих пород, рН и содержания органического вещества. На территориях, где заметны содержания Cd, преобладают, в основном, суглинистые почвы.
Диапазон колебания валовых концентраций свинца в верхнем горизонте почв города варьирует от 19,5 до 595,7 мг/кг (фон 8,1 мг/кг). Наибольшие концентрации РЬ наблюдаются в гумусовых горизонтах, что, вероятно, связано с образованием стабильных РЬ2+—органических комплексов [2,681691].
В условиях г. Благовещенска свинец попадает в почву при сгорании топлива, с выхлопными газами автомобилей, при разрушении аккумуляторных пластин, отходах предприятий деревообрабатывающей промышленности. Полученные данные исследования накопления валового свинца показы -вают, что свинец имеет высокое сорбционное сродство к глинистым почвам и органическому веществу, а также на его содержание в почвах оказывает влияние величина рН.
На всех исследованных территориях Благовещенска концентрации № и Со в почвах не превышают нормативы ОДК для почв, хотя для этих элементов характерна локализация в поверх -ностном слое почв, связанная с накоплением здесь органического вещества. Следует отметить, что повышенные их концентрации наблюдаются также в глинистых и суглинистых почвах. Концентрация Си и №, Со в верхнем слое почв отражает их биоаккумуляцию и современное антропогенное влияние, к которому относятся выбросы котельных и автотранспорта.
В городах Белогорске и Свободном концентрации ТМ в почвах, кроме Сг, не превышают нормативы ОДК и ПДК для почв. В трех точках Белогорска и Свободного отмечено превышение ПДК для почв по хрому, в г. Белогорске в 1,03-2,3 раз, в г. Свободном - в 1,1-1,9 раз.
Сравнивая валовое содержание ТМ в верхнем горизонте почв в исследуемых городах, можно отметить, что в почвах г. Свободного больше № и Со, в почвах г. Белогорска больше Сг, а в почвах г. Благовещенска больше РЬ, Мп, Си и 2п (табл. 1).
Таблица 1
Разброс концентраций ТМ в верхнем горизонте почв (мг/кг) Благовещенска, Белогорска и Свободного — числитель, среднее значение - знаменатель
Элемент г.1 лаговещенск г.Бел огорск г.Свободный
Си 14-72 11-44 14-44
25,7 20,1 22,7
2п 2 1-165 33-92 41-113
76,6 66 75,3
Мп 151-1647 246-859 276-763
648 536,7 500
Сг 14-200 61-211 18-178
56 102,1 73,7
№ 8-61.9 8-5-28,5 9,3-40
21,3 18,2 23,4
Со 4-47 2-9,1 8-20
11,4 5,1 14,0
РЬ 14,7-595, 7 23,9-92,2 26,7-96,9
70,4 51,3 45,8
Cd <1, 0-2 <1,0 <1,0-1,4
<1,0 <1,0 <1,0
Отмечено повышенное содержание органического вещества в наиболее загрязненных ТМ почвах, которое в условиях г. Благовещенска варьирует от 12,1 до 24,0 %. Это, возможно, связано с
тем, что ТМ оказывают токсическое действие на микроорганизмы, разлагающие органические остатки [4,804-811].
Повышенное содержание Си, 2п, № и Со в почвах г. Свободного по сравнению с г. Белогорском также можно связать с большим содержанием органического вещества в почвах г Свободного. В почвах г. Белогорска содержание органического вещества колеблется от 3,3 до 16,6 %, а в верхнем горизонте почв г. Свободного - от 4,9 до 18,6 %.
Одной из характеристик загрязнения окружающей среды является суммарный показатель химического загрязнения (2с). Согласно ориентировочной шкалы по суммарному показателю загрязнения почв ТМ (2с) [5,38] исследуемые территории г. Благовещенска имеют следующую градацию: допустимый уровень загрязнения в поверхностном слое почвы имеют 63,6 % исследованных территорий города, умеренно опасный — 30,3 %, опасный уровень загрязнения — 6,1 %. Опасный уровень загрязнения для верхнего горизонта почв отмечен в районе Спичфабрики (2с=96,7) и Белогорья (2„=б7,0).
Все исследуемые территории г.Свободного имеют допустимый уровень загрязнения почвы (2с < 16). В г. Белогорске 57,2 % исследованных территорий города имеют допустимый уровень загрязнения и 42,8 % — умеренно опасный (2с = 16-32), это территории Военного госпиталя, Городского парка и Консервного завода.
По суммарному показателю химического загрязнения почв (2с) ТМ исследуемые города можно расположить в следующий ряд, по убывающей: г. Благовещенск > г. Белогорск > г. Свободный (табл. 2).
Таблица 2
Суммарный показатель химического загрязнения почв (2с) в городах тт-тах - числитель, среднее
значение - знаменатель
г. Благовещенск г. Белогорск г. Свободный
5,4-96, 7 6,0- 16, 8 4,0- 14, 0
19,6 12,3 9,4
Большее значение 2с для почв г. Белогорска по сравнению с г. Свободным можно связать с тем, что в г. Белогорске больше работающих промышленных предприятий, чем в г. Свободном. Также количество автотранспорта на 1 км2 в г. Белогорске (124 автомобиля) больше, чем в г. Свободном (64 автомобиля).
Таким образом, локализация ТМ в почвенном профиле, помимо техногенного загрязнения, зависит от содержания органического вещества в почве. Существует также связь между содержанием в почве глинистых частиц и различных химических элементов. Утяжеление гранулометрического состава (от суглинков до глин) приводит к увеличению содержания изучаемых элементов в субстрате. Проведенные исследования накопления ТМ в почвах города показали, что в тех точках, где (2с) показывает опасный уровень загрязнения, почвы по составу суглинистые.
Заключение
Результаты исследования валового содержания ТМ в почвах обследуемых городов показали, что в условиях урбанизированных территорий почти все химические элементы обладают повышенной нагрузкой на окружающую среду по сравнению с фоном.
Городские почвы имеют повышенное содержание ТМ в верхнем слое, т.к. выбросы загрязняющих веществ в окружающую среду по закону гравитации оседают на поверхности почвы, постепенно накапливаясь в ней.
В ходе исследования загрязнения почв ТМ в трех обследуемых городах было установлено, что по уровню загрязнения на первом месте стоит г. Благовещенск, затем г. Белогорск и г. Свобод -ный.
Основными источниками загрязнения почвенного покрова ТМ в обследуемых городах являются выбросы предприятий теплоэнергетики, автотранспорта и промышленных предприятий, но в целом экологическая обстановка в этих городах не вызывает опасности.
Литература
1. Доклад о состоянии окружающей среды в Амурской области за 2009 год. - Благовещенск, 2010. - 26 с.
2. Водяницкий Ю.Н. Соединения As, РЬ и 2п в загрязненных почвах (по данным EXAFS—спектроскопии) // Почвоведение. — 2006. — № 6. — С. 681-691.
3. Елпатьевский П.В. Геохимические исследования аномальных техногеосистем // География и природные ресурсы. — 1981. — № 4. — С.148-156.
4. Минкина Т.М., Мотузова Г.В., Назаренко О.Г. Взаимодействие тяжелых металлов с органическим веществом чернозема обыкновенного // Почвоведение. — 2006. — № 7. — С. 804-811.
5. МУ 2.1.7.730-99. Почва, очистка населенных мест, бытовые и промышленные отходы, санитарная охрана
почвы. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест. — М. : 1990. — 38 с.
6. Обухов А.И. Методические основы разработки ПДК ТМ и классификация почв по загрязнению // Система методов изучения почвенного покрова, деградированного под влиянием химического загрязнения. - М. 1992. - С. 13-20.
7. Почвы. Общие требования к отбору почв. — М.: Изд-во стандартов, 1983. - 3 с.
8. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. Г еохимия окружающей среды. - М .: Недра, 1990. — 335 с.
