Эколого-геохимическая оценка почвенного покрова техногенных территорий северо-востока Казахстана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эколого-геохимическая оценка почвенного покрова техногенных территорий северо-востока Казахстана

Артамонова Е.Н.

Евлампиева Е.П.

Касымова Ж.С.

В настоящее время загрязнение окружающей среды ксенобиотиками, в том числе тяжелыми металлами (ТМ), ведет к появлению техногенных пустынь, избыточному поступлению ТМ в пищевую цепь, к болезням и гибели живых организмов, в том числе человека.

В северо-восточном Казахстане, одном из наиболее индустриально развитых регионов страны, имеет место высокая концентрация промышленных источников поступления ТМ в окружающую среду (предприятия цветной металлургии, горнодобывающие, химические, атомные, нефтепереработки, энергетики и др.), скопилось огромное количество промышленных отходов и обширно загрязнение земель ТМ.

Наряду с антропогенным влиянием огромный вклад в загрязнение региона вносит природная составляющая. Недра Восточного Казахстана богаты полезными ископаемыми, главные из них - многокомпонентные полиметаллические руды. На территории области сосредоточено 24 % балансовых запасов Pb, 41 % Zn, 45 % Cu от общереспубликанских запасов. Балансовые запасы цветных металлов сосредоточены в 25 месторождениях [6].

Для улучшения сложившегося положения, как и на загрязненных территориях других стран мира, актуальна комплексная оценка валового содержания и подвижных форм ТМ в почвах.

Цель исследования: дать комплексную эколого-геохимическую оценку состояния почвенного покрова промышленных зон и урбанизированных территорий северо-востока Казахстана (аспект: тяжелые металлы).

Объект исследования: техногенные территории северо-востока Казахстана.

Материал и методы исследования

Для достижения поставленной цели в 2012 г. были отобраны пробы почвы в г. Усть-Каменогорск с 69 пробных площадок, в пределах г. Павлодар - с 441, в г. Семей - с 11 площадок. Пробоотбор почв охватывал все имеющиеся типы городских зон: промышленные, жилые, рекреационные. Пробы почв отбирались с верхнего гумусового горизонта как наиболее подверженные загрязнению ТМ. Отбор и определение физико-химических свойств почв осуществлялись в соответствии с ГОСТами и общепринятыми методами [1, 2].

Из элементов группы ТМ для исследования были выбраны четыре - Cu, Zn, Cd, Pb. В связи с тем, что почвенный покров исследуемых промышленных регионов в основном тяготеет к техногенным площадкам цветной металлургии. Кроме того, для почв Усть-Каменогорского и Иртышского промышленных узлов установлена кадмиево-свинцовая геохимическая аномалия [3].

Анализ содержания ТМ в почвенных образцах проводили на базе научной биогеохимической лаборатории кафедры экологии и защиты окружающей среды Государственного университета имени Шакарима г. Семей. Были исследованы валовое содержание и подвижные формы ТМ: кислоторастворимая (экстрагент 1 н. HCl), обменная (ацетатно-аммонийный буфер CH3COONH4 c pH=4,8) и водорастворимая (бидистиллированная вода). Содержание ТМ определяли фотоколориметрическим химическим дитизоновым методом Г.Я. Ринькиса [4], основанном на измерении оптической плотности окрашенного экстракта при помощи спектрофотометра СФ-2000-01. Чувствительность метода - 0,01 мкг/мл, стандартное отклонение - ±4,6 %. Определение проводили в трехкратной повторности.

Статистическая обработка полученных в ходе исследования данных проводилась с использованием программы MicrosoftExcel. Достоверность полученных результатов оценивали при помощи t-критерия Стьюдента.

Эколого-геохимическое состояние почв исследуемого региона охарактеризовано коэффициентом концентрации (Кс), коэффициентом опасности (Ко) и кларком концентрации (Кк). Данные коэффициенты отражают увеличение содержания химических элементов в исследуемой почве в сравнении с фоном, ПДК и кларком в земной коре соответственно.

Результаты исследования и их обсуждение

Физико-химические свойства почв городов Усть-Каменогорск, Павлодар и Семей

Согласно приведенным в таблице 1 данным, значительных отличий между почвами городов не наблюдается. Следует отметить, что в результате антропогенной деятельности свойства почв претерпели значительные изменения. Профиль почв нарушен настолько, что их свойства изменены, а отнесение изученных почв к светло- и темно-каштановым правомерно лишь по генезису.

Таблица 1. Физико-химические свойства почв городов Усть-Каменогорск, Павлодар, Семей

Основная часть почв (78,6 %) характеризуются слабощелочной и щелочной реакцией, значения рН среды колеблются от 7,65 до 8,36, остальная часть почвенных проб (21,4 %) имеет нейтральную и близкую к нейтральной реакцию среды, значения рН колеблются от 6,6 до 7,5. Изменение природных кислотно-щелочных свойств городских почв может иметь как положительные, так и отрицательные аспекты: с одной стороны нейтральная и близкая к нейтральной реакции среды более благоприятны для роста и развития растений и в них контакты растений с ТМ менее опасны, а с другой - создаются условия для аккумуляции ТМ, при этом металлы задерживаются в почве и не переходят в сопредельные среды.

В городских почвах состав и степень гумификации органического вещества не соответствует природным аналогам. Большая часть почв исследуемых городов характеризуется низкой степенью содержания органического вещества (42,9 % случаев), что однако соответствует его уровню содержания в естественных почвах региона. На 32,1 % площадок почвы характеризуются средним уровнем содержания органики, а на 10,7 % - повышенным и 14,3 % - высоким содержанием, что связано с загрязнением верхних горизонтов почв, в основном приуроченных к автотрассам, органополлютантами от автотранспорта, частицами сажи и пыли от битумно-асфальтных смесей.

Почвы характеризуются высоким содержанием элементов питания растений (Р2О5 - 32,2 мг/100 г почвы; К2О - 68,0 мг/100 г почвы), что связано с периодическим внесением органических удобрений. Также вероятными причинами присутствия повышенных концентраций Р и К в почвах города могут быть промышленное загрязнение, жизнедеятельность домашних животных, а также миграция соединений элементов, входящих в состав строительного и бытового мусора. Выявленные в большинстве обследованных почв высокие концентрации Р и К не являются токсичными, однако способствуют нарушению баланса между макро- и микроэлементами.

Содержание гидролизуемого азота в почвах колеблется от 20,0±0,25 до 50,0±0,35 мг/кг почвы. На всех пробных площадях содержание нитратов больше, чем в естественной почве (6,42±0,33мг/кг). Антропогенные факторы нарушают естественные процессы биологической фиксации и миграции нитратов, повышая их количество. Предприятия теплоэнергетики и транспорт являются одним из основных источников антропогенного загрязнения городских почв легкогидролизуемым азотом.

Почвы городских газонов характеризуются более значительной емкостью поглощения (38,0 мг-экв/100 г почвы). В составе обменных катионов в них больше Ca и Mg, присутствует в большем количестве (2-3 %) обменный Na.

Таким образом, физико-химические свойства антропогенных почв городов Усть-Каменогорск, Павлодар и Семей создают предпосылки для закрепления накопленных в них ТМ, поступающих на поверхность с выбросами автотранспорта и промышленных предприятий.

Валовое содержание и содержание подвижных форм ТМ в почвах городов Усть-Каменогорск, Павлодар и Семей

Валовое (общее) содержание ТМ свидетельствует о запасе этих элементов в городских почвах, который может быть как природного, так и техногенного происхождения. Однако в силу буферной способности почвы не является информативным показателем наличия реальной опасности загрязнения и обеспечивает первичную оценку состояния городской почвы.

Валовое содержание (мг/кг) Zn в почвах г. Усть-Каменогорск варьирует в пределах от 103 до 4506; Cd - от 0,27 до 29,73; Pb - от 22,07 до 1351,77; Cu - от 20 до 727,67 (таблица 2). Средняя концентрация металлов превышает фоновый уровень от 6,9 (для Cu) до 25 раз (для Cd).

Таблица 2. Валовое содержание ТМ в почвах городов северо-востока Казахстана, мг/кг

Примечания: - среднее значение ± стандартное отклонение; n - количество проб.

Средний суммарный показатель загрязнения почв Zc всей территории города Усть-Каменогорск составляет 72,5 и характеризует опасный уровень загрязнения.

Загрязнение почвенного покрова исследуемых городов ТМ носит полиэлементный неравномерный характер, что отражает специфику разнопрофильных производств, их неодинаковую техногенную нагрузку, степень очистки выбросов и т.д. Валовое содержание приоритетных загрязнителей максимально в почвенном покрове северной и центральной (селитебной) зон города, что обусловлены нахождением там крупных промышленных предприятий, осуществляющих максимальное количество выбросов в городе («Казцинк»», Ульбинский металлургический завод, Титано-магниевый завод, ТЭЦ и др.). Наименьшие концентрации металлов отмечены в южной зоне, что объясняется отсутствием предприятий и барьерными функциями р. Иртыш. В целом, для почв города Усть-Каменогорск характерна кадмиево-свинцовая геохимическая специализация: Cd69,3Pb23,1 Zn10,2Cu2,6.

Валовое содержание (мг/кг) Zn в почвах г. Павлодар варьирует в пределах от 43,2 до 547,8; Cd - от 0,36 до 9,33; Pb - от 17,9 до 199,6; Cu - от 18,4 до 150,2. Средняя концентрация металлов в почвах г. Павлодар в 1,2-22,3 раза выше их кларка в земной коре и в 2,7-6,7 раза - кларка в почве (таблица 2). В почвах города от 20 до 75 % проб, содержащих различные химические элементы, превышают ПДК. Наиболее приоритетным загрязнителем почв города является Cd. Средний суммарный показатель загрязнения почв Zc всей территории города Павлодар составляет 16,1 и характеризует умеренный уровень загрязнения.

Наибольшие концентрации Zn, Cd, Pb, Cu в почвах характерны для восточной промзоны. В данной зоне расположены алюминиевый завод и ТЭЦ, которыми выбрасывается до 90 % от общего количества загрязняющих веществ в год. В северной промзоне в почвах максимально содержание Zn. На данной территории функционируют нефтеперерабатывающий, химический, тракторный заводы и 2 ТЭЦ. Наименьшие концентрации характерны для северного пригорода, что объясняется отдаленностью промышленных предприятий. В среднем для почв г. Павлодар характерна кадмиево-свинцовая геохимическая специализация: Cd22,3Pb4,2Zn1,9Cu1,2.

Почвы г. Семей сильно загрязнены изученными элементами. Содержание Zn колеблется в пределах 63,7-966,8; Cd - 0,5-12,6; Pb - 32,6-480,5; Cu - 28,8-281,3 мг/кг. Концентрации металлов (таблица 2) превышают их фоновое содержание в аналогичных почвах: Кс Pb - 10,1; Cd - 9,4; Zn - 7,5; Cu - 4,2.

Наиболее контрастными по содержанию ТМ в почвах являются западный левобережный и северный ареалы вокруг крупных промышленных узлов; наименее - восточный, где практически отсутствуют промышленные предприятия, ТЭЦ, котельные. В большей степени техногенному воздействию подвергнуты почвы, расположенные в радиусе до 2,5-5,0 км от крупных предприятий и ТЭЦ города. В этих зонах 49 % почв характеризуется превышающим не только фоновое, но и ПДК содержанием Zn, 75 % - Pb, 18 % - Cu, 32 % - Cd. Суммарный показатель загрязнения почв Zс всей территории г. Семей - 35,3, что свидетельствует о средней степени загрязнения. Почвы города характеризуются кадмиево-свинцовой специализацией: Cd26,2Pb9,9Zn3,8Cu1,6.

В целом, обнаружено превышение ПДК по Kloke [6] в почвах г. Усть-Каменогорск: Ко Cu - 1,2; Zn - 2,8; Cd - 3,0; Pb - 3,7 и г. Семей: Pb - 1,6; Zn и Cd - 1,1, а также казахстанских нормативов ПДК [7] валового содержания Cd от 5,8 (г. Семей) до 18 раз (г. Усть-Каменогорск) и Pb - в 2,1 (г. Семей) - 11,6 раза (г. Усть-Каменогорск).

Для оценки токсичности ТМ более правильным представляется использование сведений о содержании в почве подвижной формы ТМ, так как растительные организмы взаимодействуют лишь с мобильной частью элементов, присутствующих в почве. Доля мобильных соединений любого ТМ в разных почвах или в зоне деятельности различных предприятий, при равенстве валового количества, может оказаться существенно неодинаковой. В результате этого в пищевую цепь поступает разное количество избыточных ионов.

Содержание подвижных форм ТМ в почвах изученных городов представлено на рисунке 1.

По величине процента от валового содержания элементов в каждой из фракций для Zn и Cd не зависимо от типа почвы и территории городов можно построить следующий убывающий ряд: кислоторастворимая > обменная > водорастворимая. Аналогичная закономерность установлена для форм соединений Cu в почвах городов Павлодар и Семей. У Pb этот ряд выглядит иначе в почвах разных городов: обменная > водорастворимая > кислоторастворимая (г. Усть-Каменогорск); кислоторастворимая > обменная > водорастворимая (г. Павлодар) > обменная > кислоторастворимая > водорастворимая (г. Семей).

А

Б

В

Рис. 1. Содержание подвижных форм ТМ в почвах городов Усть-Каменогорск (А), Павлодар (Б), Семей (В), мг/кг

Почвы городов Усть-Каменогорск, Павлодар и Семей сходны по физико-химическим свойствам. В результате антропогенной деятельности свойства почв претерпели значительные изменения. Загрязнение почв городов носит полиэлементный характер и распределяется по их территории мозаично, образуя очаги в зависимости от источников выбросов. Исследуемые почвы городов характеризуются кадмиево-свинцовой геохимической специализацией, по суммарному показателю загрязнения располагаются в следующий ряд: Усть-Каменогорск (Zc=72,5) > Семей (Zc=35,3) > Павлодар (Zc=16,1). ТМ в почвах г. Усть-Каменогорск превышают ПДК по Kloke в 1,2-3,7 раза, г. Семей - в 1,1-1,6 раза; казахстанские нормативы ПДК превышены в 2,1-18 раз.

Список литературы

загрязнение почва техногенный выброс

1. Агрохимические методы исследования почв / под ред. A.B. Соколова. - М.: Наука, 1975. - 656 с.

2. ГОСТ Р 53123-2008. Качество почвы. Отбор проб. Часть 5. Руководство по изучению городских и промышленных участков на предмет загрязнения почвы. - М.: Стандартинформ, 2009. - 28 с.

3. Панин М.С. Экология почв. - Алматы: Раритет, 2008. - 528 с.

4. Ринькис Г.Я., Рамане Х.К., Куницкая Т.А. Методы анализа почв и растений. - Рига: Зинатне, 1987. - 174 с.

5. Нормативы предельно допустимых концентраций вредных веществ, вредных микроорганизмов и других биологических веществ, загрязняющих почву: совместный приказ Министра здравоохранения Республики Казахстан от 30.01.2004 г. № 99 и Министра охраны окружающей среды Республики Казахстан от 27.01.2004 г. № 21-п. - Астана, 2004. - 16 с.

6. Чермошенцева Е.В. Современное состояние инновационной деятельности в Восточно-Казахстанской области и перспектива ее развития // Банки Казахстана. - 2009. - № 11. - С. 40-43.

7. Kloke A. Richwerte'80. Orientierungsdaten fьr tolerierbare Gesamtgehalte einiger Elemente in Kulturbцden // Mitteilunger VDLUFA. - 1980. - № 1-3.-S. 9-11.

Размещено на Allbest.ru