Техногенное загрязнение почв свинцом в катене автомагистрали в приазовской зоне Ростовской области

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техногенное загрязнение почв свинцом в катене автомагистрали в приазовской зоне Ростовской области

Г.М. Ляшенко

В.П. Калиниченко

Аннотации

Изучено техногенное загрязнение почв свинцом в приазовской зоне Ростовской области в катенах, прилегающих к линейным источникам загрязнения, для случая грузопотока по автостраде около 4,0 и более 6,0 тыс. авт./сут. При мощности грузопотока более 6 тыс. авт./сут. количество подвижных форм Pb в почве превышает ПДК на удалении 0-40 м от автомагистрали. При мощности грузопотока около 4,0 тыс. авт./сут. содержание подвижных форм Pb в почве выше ПДК на расстоянии 0-20 м от автомагистрали. Предложена схема формирования базы данных о загрязнении линейных объектов с выраженным катенарным устройством в сечении, для построения которой достаточной является информация о: загрязнении почв на ключевых экопрофилях - трансектах; загрязнении почв в наиболее репрезентативных точках укороченных и упрощенных экопрофилей, заложенных согласно данным распределения на ключевых экопрофилях - трансектах. Предложены экспоненциальные эмпирические соотношения между расстоянием от автомагистрали и содержанием в почве валовых и подвижных форм свинца. загрязнение техногенный свинец

Ключевые слова: техногенное загрязнение почв свинцом, катена линейного объекта.

G. M. Lyashenko (FSBEE HРE "DonSAU")

V. P. Kalinichenko (Institute of soil fertility in the Southern regions of Russia, FSBEE HРE "DonSAU")

TECHNOGENIC POLLUTION OF SOILS BY LEAD IN catena of highway IN THE PRIAZOVSKY ZONE OF THE ROSTOV REGION

Technogenic pollution of soils by lead in Azov zone of Rostov region is studied. Elements of a database for catenae adjoining to linear sources of pollution are offered for the motorway traffic nearby 40 and more than 60 hundreds bus/day. Under the traffic more than 6 thousand bus/day the quantity of mobile forms of Pb in soil exceeds maximum concentration limit on distance of 0-40 m from a highway. Under the traffic about 40 hundreds bus/day the quantity of mobile forms of Pb in soil exceeds maximum concentration limit on distance of 0-20 m from a highway. For database formation about linear objects pollution with catena section are sufficient: the information on pollution of soils on key ecological profiles - transects; an information about pollution of soils in the most representative points truncated and simplified ecological profiles, put according to the data of distribution on key ecological profiles - transects; exponent empirical parities between distance from a highway and the content in soil of total and mobile forms of lead.

Keywords: technogenic pollution of soils with lead, linear catena.

Актуальность

Загрязнение окружающей среды свинцом и его соединениями - актуальная экологическая проблема в мире. В результате использования свинца в промышленности, транспорте, быту существенно увеличилась доля народонаселения мира, подверженного его опасному воздействию. Риск для здоровья людей обусловлен высокой токсичностью свинца и способностью его накопления в организме человека [1-5].

Загрязнение свинцом атмосферы, почвы и воды в культурных ландшафтах нарушает фитоценозы и агрофитоценозы, обусловливает угрозу деструкции ассимиляционного потенциала фитомассы, тератологическое нарушение органогенеза растений, ухудшение гигиенического качества среды обитания человека [6-9].

Транспортно-дорожный комплекс, несмотря на принятие в России ограничений к применению на транспорте бензина с тетраэтилсвинцовыми присадками (ТЭС), продолжает негативно влиять на экосистемы.

Во-первых, соединения свинца уже накопились в придорожных почвах, в результате чего имеет место превышение концентраций свинца в продукции сельского хозяйства и ландшафте. Во-вторых, несанкционированное применение ТЭС продолжается. В-третьих, свинец продолжает влиять на экосистемы линейных объектов инфраструктуры, поскольку содержится не только в ТЭС.

Актуальность работы состоит в пополнении географической экологической базы данных о степени загрязнения ландшафтов свинцом и моделей загрязнения ландшафтов [10-21].

Объект исследования

Объектом исследований являлся чернозем обыкновенный южно-европейской фации промерзающий среднемощный слабогумусированный на лессовидном суглинке. Гранулометрический состав почвы - тяжелосуглинистый. Структура пахотного слоя комковато-пылеватая, ниже по профилю - комковато-ореховато-зернистая. Мощность горизонта А - 30-45 см, а горизонтов А + В - 80-110 см. Большая мощность гумусового слоя позволяет создать глубокий культурный пахотный слой и способствует впитыванию и накоплению большого количества влаги. Для этого типа почв характерно равномерное и постепенное снижение содержания гумуса вниз по профилю. В пахотном слое содержится до 4,0 % гумуса. Запас гумуса в слое А + В 2 составляет 200-260 т/га.

В довольно строгом соответствии с количеством гумуса уменьшается содержание общего азота. Оно составляет около 5 % от общего содержания гумуса в верхних горизонтах и увеличивается с глубиной до 7 %.

Сумма поглощенных оснований в пахотном горизонте колеблется от 33 до 39,0 мг-экв. на 100 г почвы. Обменный кальций преобладает над обменным магнием, на его долю приходится свыше 80 % от суммы Ca2+ + Mg2+ в верхнем полуметровом слое. Вниз по профилю происходит не только уменьшение суммы поглощенных оснований, но и сужение отношения кальций-магний. Доля магния увеличивается до 25 % от суммы Ca2+ + Mg2+.

Географически объекты исследования расположены в Ростовской области в УСХП "Кадамовское", 14,0 км автомагистрали Новочеркасск - Шахты, грузопоток которой составляет около 4,0 тыс. авт./сут.; СПК "Колос", 58 км автомагистрали Ростов-на-Дону - Таганрог, грузопоток более 6,0 тыс. авт./сут. [22].

Схема эксперимента

Цель работы - изучить техногенное загрязнение почв свинцом в приазовской зоне Ростовской области и предложить элементы базы данных описания этого явления для катен, прилегающих к линейным источникам загрязнения.

Задачи исследований:

- установить влияние техногенной нагрузки на исследуемые почвы в зависимости от мощности грузопотока и удаленности объекта исследований от автомагистрали;

- предложить систему уравнений регрессии, описывающих зависимость содержания свинца в почве от мощности грузопотока и удаленности объекта исследований автомагистрали;

- обосновать ингредиенты базы данных о загрязнении линейных объектов с выраженным катенарным устройством в сечении.

Эксперимент in situ был выполнен для изучения действия техногенной нагрузки на почвы от линейного объекта загрязнения (автомагистрали) по трансектам катены. Изменение содержания свинца в почве в зависимости от удаленности от автострады были изучены при мощности грузопотока 4,0 и более 6,0 тыс. авт./сут.

Отбор проб почвы проводили весной в междурядьях агрофитоценоза озимой пшеницы. Отбор проб почвы осуществляли при удаленности от автомагистрали 5, 10-50 м (через 10 м), 100-300 м (через 50 м). Отбор образцов производили из слоя 0-20 см.

Методы проведения исследований

Исследования проводили полевым и лабораторным методами с использованием следующих методик: отбор проб почвы осуществлялся по ГОСТ 28168-89; общие требования к проведению анализов - ГОСТ 29269-91. Химический анализ почвы (валовые и подвижные формы) проводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре [18]. Математическая обработка данных выполнена в программной среде Excel с экспоненциальной аппроксимацией данных и расчетом криволинейной корреляции.

Фоновое валовое содержание свинца составляет 21 мг/кг.

ПДК свинца по различным литературным источникам варьируют. В настоящем сообщении приняты следующие ПДК: ПДК по валовому содержанию свинца в почве составляет 30 мг/кг (СанПиН 42-128-4433-87); ПДК по подвижным формам свинца в почве - 6,0 мг/кг.

В качестве контрольного варианта принято содержание элемента в пробе почвы, взятой на расстоянии 300 м от автомагистрали.

Результаты исследований

Концентрация валовых форм Pb в почве при мощности грузопотока, проходящего по автомагистрали более 6 тыс. авт./сут., варьирует от 49,5 мг/кг сухой почвы в пятиметровой зоне до 24,3 мг/кг свинца в почве на расстоянии 300 м от автомагистрали (рисунок 1).

- валовое содержание свинца в почве в слое 0-20 см;

- экспоненциальная линия тренда

Рисунок 1 - Содержание валовых форм свинца в почве в зависимости от удаления объекта от автомагистрали при мощности грузопотока более 6 тыс. авт./сут.

При мощности грузопотока более 6 тыс. авт./сут. на расстоянии от 50 до 100 м от автомагистрали обнаружено валовое количество свинца 30,3-35,1 мг/кг, превышающее соответствующий ПДК. На расстоянии от автомагистрали 150-300 м валовое содержание Pb составляет 24,7-24,3 мг/кг и находится практически на уровне фонового валового содержания.

Содержание подвижных форм Pb в почве при мощности грузопотока более 6 тыс. авт./сут. при удалении 5-300 м от автомагистрали составляет 4,5-8,3 мг/кг сухой почвы (рисунок 2). Основная часть Pb оседает на расстоянии до 40 м от автомагистрали. В десятиметровой зоне имеет место постепенное снижение содержания подвижных форм свинца в почве до 7,2 мг/кг сухой почвы.

- валовое содержание свинца в почве в слое 0-20 см;

- экспоненциальная линия тренда

Рисунок 2 - Зависимость содержания подвижных форм свинца в почве от удаленности от автомагистрали при мощности грузопотока более 6 тыс. авт./сут.

В объекте, находящемся на удалении 20 м от автомагистрали, по отношению к зоне удаленности 0-5 м происходит существенное снижение количества подвижных форм свинца на 13,3 %.

В объекте, находящемся на удалении 150 м от автомагистрали, количество подвижных форм свинца снижается в два раза по отношению к зоне удаленности 0-5 м.

На расстоянии до 40 м от автомагистрали содержание подвижных форм свинца в почве составляет 6,8-5,9 мг/кг, что в среднем выше ПДК.

Содержание валовых и подвижных форм свинца при аппроксимации экспонентой в программной среде Excel имеет корреляцию с удаленностью объекта от автомагистрали.

При мощности грузопотока около 4,0 тыс. авт./сут. концентрация валовых форм Pb в почве варьирует от 39,0 мг/кг сухой почвы в пятиметровой зоне до 22,8 мг/кг свинца в почве на расстоянии 300 м от автомагистрали (рисунок 3). На расстоянии 40 м от автомагистрали содержание валового количества свинца составляет 35,5 мг/кг, что превышает ПДК. При удалении от магистрали на 100-300 м содержание валового Pb составляет 22,8-25,0 мг/кг и находится практически на уровне фонового валового содержания.

- валовое содержание свинца в почве в слое 0-20 см;

- экспоненциальная линия тренда

Рисунок 3 - Содержание валовых форм свинца в почве в зависимости от удаленности объекта от автомагистрали при мощности грузопотока 4,0 тыс. авт./ сут.

Содержание подвижных форм Pb в почве при удалении 5-300 м от автомагистрали составляет 3,7-6,7 мг/кг сухой почвы (рисунок 4). На расстоянии до 10 м от автомагистрали содержание подвижных форм свинца в почве составляет 6,3 мг/кг, что выше установленных нормативов. Основная часть подвижных форм Pb оседает в десятиметровой зоне от дороги. С увеличением расстояния от 20 до 300 м содержание подвижных форм свинца составляет 3,7-6,0 мг/кг, что соответствует показателям ПДК. Зависимость содержания валовых и подвижных форм свинца от удаленности автомагистрали принята экспоненциальная (r2 = - 0,856; - 0,908), связь сильная, обратная, существенная (tф > t05). С увеличением расстояния от источника загрязнения происходит существенное уменьшение содержания количеств Pb в почве.

- валовое содержание свинца в почве в слое 0-20 см;

- экспоненциальная линия тренда

Рисунок 4 - Зависимость содержания подвижных форм свинца в почве от удаленности от автомагистрали при мощности грузопотока 4,0 тыс. авт./сут.

Таким образом, при мощности грузопотока более 6 тыс. авт./сут. наибольшей концентрацией валовых форм свинца в почве характеризуется полоса почвы вдоль автострады шириной 50 м, на расстоянии 50-100 м обнаружено валовое количество свинца, превышающее ПДК, с удалением от автомагистрали на 50-300 м содержание валового Pb находится на уровне фонового значения. При мощности грузопотока около 4,0 тыс. авт./сут. содержание валового количества свинца превышает существующие ПДК на расстоянии до 40 м от автомагистрали, с удалением на 100-300 м содержание Pb находится на уровне фонового количества.

Количество подвижных формы Pb, превышающее ПДК при мощности грузопотока более 6 тыс. авт./сут., оседает преимущественно на расстоянии до 40 м от дороги. С удалением от автомагистрали на расстояние от 40 до 150 м имеет место существенное снижение количества подвижных форм свинца в почве. При мощности грузопотока около 4,0 тыс. авт./сут. содержание подвижных форм Pb в почве выше ПДК на расстоянии до 20 м от автомагистрали. На расстоянии от автомагистрали 20-300 м содержание подвижных форм свинца в почве соответствует уровню ПДК.

По результатам опытов в программной среде Windows Excel были определены уравнения регрессии, описывающие зависимость содержания в почве валовых и подвижных форм свинца от удаленности автомагистрали при различной мощности грузопотока. Наибольшая аппроксимирующая способность установлена для экспоненциальной формы зависимости. Соотношения, где y - содержание свинца в почве, мг/кг; x - расстояние от автомагистрали объекта отбора почвенной пробы, следующие:

1) расстояние от автомагистрали объекта отбора почвенной пробы более 6 тыс. авт./сут.:

y = 43,349е-0,0024х - содержание валовых форм Pb в почве;

y = 7,0221е-0,0019х - содержание подвижных форм Pb в почве;

2) расстояние от автомагистрали объекта отбора почвенной пробы около 4,0 тыс. авт./сут.:

y = 36,268е-0,0019х - содержание валовых форм Pb в почве;

y = 6,1186e-0,0019х - содержание подвижных форм Pb в почве;

Высокий уровень аппроксимации согласно показателю детерминации

D = R2,

который отражает статистическую достоверность полученных коэффициентов уравнения регрессии, свидетельствует о достаточной степени адекватности объекту полученных уравнений. Уравнение регрессии позволяет достаточно точно определять дифференциацию содержания подвижных и валовых форм свинца в почве в определенных точках без проведения дополнительных химических анализов, обеспечивая возможность нелинейной интерполяции ключевых данных, а также получить картину загрязнения по относительно небольшой базе данных на основе ее экстраполяции.

Несмотря на достаточно высокую аппроксимирующую способность полученных эмпирических соотношений для оценки загрязнения почв в зоне автомагистралей, следует отметить, что возможности экспоненциальной формы представления уравнения в рассматриваемом случае ограничены. Сглаженные кривые распределения загрязнения, построенные по данным натурных наблюдений, свидетельствуют о наличии суперпозиции как минимум трех видов распределения изученных параметров загрязнения.

В зоне 0-50 м, 0-100 м крутизна спада натурной кривой распределения больше, чем аппроксимирующей ее экспоненты.

Наоборот, в зоне 50-300 м, 100-300 м крутизна спада натурной кривой распределения меньше, чем аппроксимирующей ее экспоненты. Следовательно, была бы более приемлема кусочная аппроксимация загрязнения почв вдоль автомагистрали.

Суперпозиция двух видов распределения изученных параметров загрязнения почв вдоль автомагистрали обусловлена аэродинамикой объекта исследований. Непосредственно в зоне автомагистрали турбулизация воздуха обусловлена проезжающим по автомагистрали автотранспортом. Эта зона компактна, охватывает собственно автомагистраль и узкую прилегающую к ней полосу почвы. След этого распределения из локального турбулентного вихря наблюдаем над магистралью и в зоне 0-50 м, 0-100 м от нее. Относительно короткие вихри турбулентности воздуха, инициируемые транспортом, возбуждают прилегающую к ним зону атмосферы. Однако интенсивность вихря во вторичной зоне распределения транспортируемого воздушным потоком вещества, как известно, значительно меньше, а размер этой зоны больше. Это обусловливает пологое распределение загрязнения в зоне 50-300 м, 100-300 м от автомагистрали.

Распределение натурных наблюдений имеет еще одну особенность, которая заключается в наличии пика распределения непосредственно у магистрали. Этот максимум загрязнения обусловлен тем, что ширина автомагистрали сопоставима с установленными в процессе исследований размерами зоны загрязнения. Поскольку на полотне автомагистрали загрязнения не в состоянии накапливаться, они поступают на прилегающую полосу отчуждения гидравлическим путем при выпадении атмосферных осадков. Суперпозиция эолового и гидравлического путей миграции загрязнения приводит к формированию максимума загрязнения в полосе обочины автомагистрали.

Рассмотренная природа распределения загрязнения позволяет более полно охарактеризовать процесс поступления свинца в придорожные экосистемы. Тем не менее, в практических целях формирования базы данных о загрязнении линейных объектов с выраженным катенарным устройством в сечении, в том числе загрязнения почв вдоль магистралей на уровне вероятности P ? 75 % достаточно следующей информации о загрязнении почв:

- загрязнение почв ключевых экопрофилей - трансект;

- загрязнение почв в наиболее репрезентативных точках укороченных экопрофилей, заложенных согласно данным распределения на ключевых экопрофилях - трансектах;

- полученные в настоящем сообщении экспоненциальные зависимости между расстоянием от автомагистрали и содержанием в почве валовых и подвижных форм свинца.

Выводы

1 При мощности грузопотока более 6 тыс. авт./сут. количество подвижных форм Pb в почве превышает ПДК на удалении 0-40 м от автомагистрали. При удалении от автомагистрали 40-150 м количество подвижных форм Pb в почве не превышает ПДК и существенно ниже, чем на удалении 0-40 м.

2 При мощности грузопотока около 4,0 тыс. авт./сут. содержание подвижных форм Pb в почве выше ПДК на расстоянии 0-20 м от автомагистрали. На расстоянии от автомагистрали 20-300 м содержание подвижных форм свинца соответствует уровню ПДК.

3 Получены эмпирические экспоненциальные зависимости, описывающие содержание валовых и подвижных форм свинца в почве в зависимости от удаленности объекта отбора пробы от автомагистрали при различной мощности грузопотока, аппроксимирующая способность которых характеризуется тесной связью: D = 0,67-0,88.

4 Возможности экспоненциальной формы представления уравнения в отношении физики явления переноса загрязнений в трансекте линейного источника загрязнения ограничены. Сглаженные кривые распределения загрязнения, построенные по данным натурных наблюдений, свидетельствуют о наличии суперпозиции трех видов распределения изученных параметров загрязнения. Относительно короткие вихри турбулентности воздуха, инициируемые транспортом, возбуждают прилегающую к ним зону атмосферы. Интенсивность вторичного вихря значительно меньше, а размер больше, что обусловливает пологое распределение загрязнения в зоне 50-300 м, 100-300 м от автомагистрали. Распределение натурных наблюдений о загрязнении имеет пик распределения непосредственно у магистрали, обусловленный поступлением загрязнения на прилегающую полосу отчуждения автомагистрали с ее полотна гидравлическим путем. Суперпозиция эолового и гидравлического путей миграции загрязнения приводит к формированию максимума загрязнения в полосе обочины автомагистрали.

5 Для формирования базы данных о загрязнении линейных объектов с выраженным катенарным устройством в сечении на уровне вероятности P ? 75 % достаточными являются: информация о загрязнении почв на ключевых экопрофилях - трансектах; информация о загрязнении почв в наиболее репрезентативных точках укороченных и упрощенных экопрофилей, заложенных согласно данным распределения на ключевых экопрофилях - трансектах; экспоненциальные эмпирические соотношения между расстоянием от автомагистрали и содержанием в почве валовых и подвижных форм свинца.

Список использованных источников

1. Лобанова, Е.А. Функционально-морфологическая характеристика слизистой оболочки желудка у больных с хронической свинцовой интоксикацией / Е.А. Лобанова, Н.С. Соркина, Ю.А. Лощилов // Гигиена труда и профессиональные заболевания. - 1987. - № 8. - С. 23-25.

2. Загрязнение окружающей среды и здоровье населения. Введение в экологическую эпидемиологию: учеб. пособие / под ред. Б.А. Ревич. - М.: Издательство МНЭПУ, 2001. - 263 с.

3. Smith, W. H. Lead contamination of roadside White Pine / W. H. Smith // Forest. Sci. - 1971. - № 17. - P. 195.

4. Dalenberg, G. W. Contribution of atmospheric deposition to heavy metal Concentrations in field crops / G. W. Dalenberg // Netherlands Journal of agricultural science. - 1990. - Vol. 38. - No 3A. - P. 369-387.

5. Минкина, Т.М. Методические аспекты почвенно-экологического мониторинга / Т.М. Минкина, И.А. Нагабедьян, В.Д. Новогренко // Плодородие. - 2002. - № 5(8). - С. 33-35.

6. Ильин, В.Б. Тяжелые металлы в системе почва - растение / В.Б. Ильин. - Новосибирск: Наука, 1991. - 150 с.

7. Алексеев, Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях / Ю.В. Алексеев. - Л.: Агропромиздат, 1987. - 142 с.

8. Поглощение меди, цинка и свинца черноземом обыкновенным при моно- и полиэлементном загрязнении / Т.М. Минкина [и др.] // Агрохимия. - 2005. - № 8. - С. 58-64.

9. Adriano, D. C. Trace elements in terrestrial environments / D. C. Adriano. - New York, Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2001. - 868 p.

10. Fengxiang, X. Han. Biogeochemistry of trace elements in Arid environments / X. Han Fengxiang, S. Arieh // Environmental pollution. - V. 13. - Netherlands: Springer, 2007. - 366 p.

11. Heavy metals in Soils / Ed. Alloway B. J. Y. - New York: Wiley and Sons, 1990. - 332 p.

12. Sparks, D. L. Environmental soil chemistry / D. L. Sparks. - Second Edition. - Academic press, USA, 2003. - 352 р.

13. Davies, C. W. Ion association / C. W. Davies. - London: Butterworths Sci. Publ., 1962. - 190 p.

14. Минкин, М.Б. Карбонатно-кальциевое равновесие в почвенных растворах / М.Б. Минкин, А.П. Ендовицкий, В.П. Калиниченко. - М.: МСХА, 1995. - 210 с.

15. Ендовицкий, А.П. Термодинамическое состояние кадмия и свинца в почвах каштаново-солонцового комплекса / А.П. Ендовицкий [и др.] // Агрохимия. - 2008. - № 9. - C. 59-65.

16. Коэффициенты ассоциации и активность ионов кадмия и свинца в почвенных растворах / А.П. Ендовицкий [и др.] // Почвоведение. - 2009. - № 2. - С. 218-225.

17. ION-2: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / Ендовицкий А.П. [и др.]. - Опубл. 27.04.2009.

18. Manceau, A. Quantative speciation of heavy metals in soils and sediments by synchrotron X-ray techniques / A. Manceau, M. A. Marcus, N. Tamura // Applications of Synchrotron Radiation in Low-Temperature Geochemistry and Environmental Science. - Reviews in Mineralogy and Geochemistry. - Washington, DC, 2002. - V. 49. - P. 341-428.

19. Ляшенко, Г.М. Почвенное и воздушно-листовое загрязнение растений свинцом / Г.М. Ляшенко, В.П. Калиниченко // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. - 2006. - № 12. - С. 124-130.

20. Minkina, T. Influence of soil contamination by heavy metals on organic matter / T. Minkina, A. Samokhin, O. Nazarenko // Man and soil at the third millennium. - Proceedings of third Internat. Congress of the ESSC. - Valencia (Spain), 2002. - V. 2. - P. 1859-1865.

21. Rooney, C. P. Control of lead solubility in soil contaminated with lead shot / C. P. Rooney, R. G. Laren, L. M. Condron // Proceedings of extended abstracts. - 7th International Conference on the Biogeochemistry of Trace Elements. - Uppsala. Sweden, 2003. - V. 1. - Р. 116-117.

22. Безуглова, О.С. Почвы Ростовской области: учеб. пособие / О.С. Безуглова, М.М. Хырхырова. - Ростов н/Д: Изд-во Южного федерального университета, 2008. - 352 с.

Размещено на Allbest.ru