Экологическая оценка придорожных почв Оренбургской области

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экологическая оценка придорожных почв Оренбургской области

Укенов Б.С.,

Верхошенцева Ю.П.,

Хардикова С.В.

Аннотация

В данной статье рассматриваются особенности накопления тяжелых металлов в почвах, располагающихся в непосредственной близости от автодорог Оренбург - Орск и Оренбург - Абдулино, а также пути и способы их поступления в условиях техногенного воздействия. Рассматривается характер распространения поллютантов в зависимости от удаленности от автодорог. Определение содержания тяжёлых металлов в почвах осуществлялось по методу Н.К. Крупского и А.М. Александровой в модификации ЦИНАО ГОСТ Р 50683-94. В работе представлены результаты сравнения загрязнения почв тяжелыми металлами с предельно допустимыми концентрациями. Данные территории являются участками, подвергающимися значительному техногенному воздействию. Проведенные исследования показали, что на данных территориях наблюдается повышенное содержание ряда тяжёлых металлов в почвах, из которых основными элементами, присутствующими в техногенных потоках загрязнения, являются медь, никель, хром, цинк и свинец. Данный результат не противоречит стандартной экологической ситуации. В ходе изучения физических свойств почв участков, расположенных вблизи автодорог, было выявлено, что в непосредственной близости от дороги, вне зависимости от подзоны чернозема, почвы имеют удовлетворительный коэффициент структурности. Показатели плотности уменьшаются по мере отдаления от автотрассы в обоих случаях. Высокое и устойчивое плодородие напрямую зависит от особенностей гумусообразования, состава и свойств гумуса, его запасов в верхней части почвенного профиля, определяя тем самым оптимальные параметры экологических функций почв на планете. Исследование содержания органического вещества показало, что по мере удаления от дорожного полотна содержание гумуса увеличивается. Такая тенденция характерна для обеих автотрасс.

Ключевые слова: ТЯЖЁЛЫЕ МЕТАЛЛЫ, ПДК, СТРУКТУРНО-АГРЕГАТНЫЙ СОСТАВ, ПЛОТНОСТЬ, ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Автомобильный транспорт является очень мощным источником загрязнения окружающей среды. В выхлопных газах автомобилей содержится в среднем 4-5 % СО, а также непредельные углеводороды, соединения свинца и другие вредные соединения. Загрязняющие вещества, поступающие в атмосферный воздух от стационарных и передвижных источников, могут не только создавать высокие концентрации на месте выброса (территория промышленной площадки, места размещения крупных автотранспортных узлов и магистралей и др.), но и распространяться за пределы территории санитарно-защитной зоны.

Тяжелые металлы являются наиболее опасными поллютантами, так как даже в очень малых концентрациях оказывают вредное воздействие на живые организмы. Большая их часть оседает прямо около дорожного полотна. Как и другие химические соединения, тяжелые металлы способны мигрировать, их можно обнаружить даже на расстоянии до 1 км от дороги. Эти вещества способны перемещаться и перераспределяться в средах жизни, образуя труднорастворимые соединения. Повышает степень опасности тяжелых металлов то, что им не свойственны физико-химическая и биологическая деградации, они способны спокойно мигрировать по трофическим путям [1, 2]. тяжелый металл почва

Объектом исследования послужили почвы придорожных территорий автодорог Оренбург - Орск и Оренбург - Абдулино (трасса Оренбург - Казань в федеральном значении). Для наблюдений за почвенными процессами на землях транспорта, в местах ожидаемого проявления максимального экологического риска заложено два реперных участка. Репер №1 заложен на автодороге Оренбург - Орск напротив километрового столба "27 км" по ходу движения. Репер №2 заложен на автодороге Оренбург - Абдулино напротив километрового столба "28 км" по ходу движения. Отбор образцов грунтов разовый, сезонный (весенний). Он включает и снеговую съемку в марте. Точки отбора проб на трассе Оренбург - Орск расположены в подзоне черноземов южных. Эти почвы формировались под типчаково-ковыльной растительностью в южной части степной зоны. Точки отбора проб на трассе Оренбург - Абдулино расположены в подзоне черноземов обыкновенных.

В марте 2017 года проведены экспедиционные исследования загрязнения снежного покрова на землях транспорта (земли, прилегающие к автодорогам Оренбург - Орск, Оренбург - Абдулино). Вдоль автодорог по ходу движения на расстоянии 10 м и 50 м от полотна дороги с левой стороны дороги взято 6 образцов снега. Каждый образец получен путем смешивания от трех до семи образцов (в зависимости от мощности снегового покрова), взятых через каждые 10 м вдоль дороги. Отобранные образцы снега исследовались на содержание микроэлементов и тяжелых металлов в снеговой воде.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) исследуемых элементов взяты для воды, используемой в хозяйственно-бытовых целях [3-5]. Для оценки уровня загрязнения приземного слоя воздуха и атмосферных осадков проводят исследования на элементный состав снежного покрова. Это дает представление о загрязнении снежного покрова и, как следствие, загрязнении воды и почв в результате таяния снега. Выявляется роль снега в повышении способности почв к аккумуляции элементов.

Анализ на микроэлементы и определение содержания тяжелых металлов проводились по методу Н.К. Крупского и А.М. Александровой в модификации ЦИНАО ГОСТ Р 50683-94. В таблицах 1 и 2 представлены результаты анализов снеговой воды.

Таблица 1. Результаты анализов снеговой воды на реперных участках, примыкающих к автодороге "Оренбург-Орск"

Из данных таблицы 1 видно, что медь в снеговой воде вдоль дороги отсутствует. Содержание кобальта также не превышает ПДК, однако его концентрация вблизи дорожного полотна выше, чем на удалении. Выявленная концентрация марганца в снеговой воде на порядок ниже значений ПДК, отмечается относительное повышение его содержания в снеге на удалении 50 метров. Содержание никеля превышает ПДК на 0,27 мг/л на расстоянии 10 метров от дороги. Концентрация свинца в снеговой воде ниже уровня ПДК. Концентрация кадмия выше ПДК в 5 раз на удалении 10 метров от автодороги и в 3 раза - на расстоянии 50 метров. Содержание хрома на обоих участках не превышает ПДК.

Таблица 2. Результаты анализов снеговой воды на реперных участках, примыкающих к автодороге "Оренбург - Абдулино"

Из данных таблицы 2 видно, что медь в снеговой воде вдоль дороги также отсутствует. Цинк обнаружен на расстоянии 10 м в концентрации 0,001 мг/л, что значительно ниже ПДК. Содержание кобальта также не превышает ПДК и примерно одинаково во всех точках опробования. Марганец в снеговой воде обнаружен на расстоянии 10 м. Содержание никеля - на уровне ПДК, на расстоянии 50 м от дороги концентрация никеля ниже ПДК в полтора раза. Концентрация свинца в снеговой воде выше уровня ПДК на расстоянии 10 и 50 метров. Концентрация кадмия превышает ПДК в 9 раз на расстоянии 10 метров и в 3 раза - на расстоянии 50 метров. Содержание хрома ниже ПДК и примерно одинаково на разном удалении от автодороги.

Учитывая, что максимальные концентрации элементов-загрязнителей оказываются на поверхности почв, смешанные образцы почв отобраны в придорожной полосе на глубинах 0-20 см. Кроме этого, при отборе проб были также учтены особенности рельефа и характер растительного покрова. Образцы отбирались на расстоянии 10 м от полотна дороги в 5 местах через каждые 20 м, и в 50 м от полотна дороги, в 5-10 м от ближних краев лесополос, являющихся фронтальной частью естественного биогеохимического барьера. Из рис. 1 видно, что превышение ПДК обнаружено по цинку (23 мг/кг) в 10 м от дороги и составило 27,87 мг/кг, по никелю (4 мг/кг) в 10 и 50 метрах от дорожного полотна и составляет 6,6 мг/кг и 4,6 мг/кг, соответственно.

Рис. 1. Содержание микроэлементов и тяжелых металлов на мониторинговых землях вблизи трассы Оренбург - Орск

Никель и кадмий поступают в почву в результате использования никель-кадмиевых аккумуляторов для транспорта и автомобильных шин [6]. Кадмий является кумулятивным ядом, вызывающим канцерогенное воздействие на различные органы человека. Превышение ПДК по кадмию зафиксировано в почвах на расстоянии 10 метров от дороги и составляет 0,35 мг/кг при ПДК, равной 0,3 мг/кг. Все остальные микроэлементы и тяжелые металлы находятся в пределах нормы.

Из рис. 2 видно, что наиболее высокое содержание в почвах наблюдается на расстоянии 10 м от дорожного полотна таких элементов, как марганец (Mn) - 98,14 мг/кг и цинк (Zn) - 26,97 мг/кг. На этом же участке установлено превышение ПДК по цинку (23 мг/кг). По мере удаления от проезжей части содержание данных элементов снижается и не превышает значений ПДК. Необходимо отметить, что цинк является сравнительно подвижным элементом в почве, и, следовательно, наименее токсичным из всех тяжелых металлов. Но при снижении pH почвы его токсический эффект возрастает.

Кадмий попадает в почву в значительно меньших количествах, чем остальные тяжелые металлы. При этом его максимальное содержание наблюдается на расстоянии 10 м от дорожного полотна и составило 0,3 мг/кг, что находится в пределах ПДК.

Рис. 2. Содержание микроэлементов и тяжелых металлов на мониторинговых землях вблизи трассы Оренбург - Абдулино

Превышение ПДК по никелю зафиксировано в почвах на расстоянии 10 метров от дороги и составляет 5,6 мг/кг при ПДК, равной 4 мг/кг. Все остальные микроэлементы и тяжелые металлы находятся в пределах нормы.

Структурно-агрегатный состав почвы является важнейшим показателем, свидетельствующим о качестве почвы и пригодности ее для роста растений [7-8]. Структурное состояние почв напрямую зависит от системы ее содержания и интенсивности антропогенного воздействия. Большое количество техногенных выбросов, попадающих в почву, приводит к загрязнению тяжелыми металлами, которые, в свою очередь, оказывают разрушающее действие на структуру. Результаты исследований, представленные в таблице 3, показали, что все почвы, как расположенные вблизи автотрассы Оренбург - Орск (10 м), так и более отдаленные (50 м), имеют удовлетворительный коэффициент структурности. Это можно объяснить зональными особенностями черноземов южных. В почвах, расположенных вдоль трассы Оренбург - Абдулино, наблюдается увеличение коэффициента структурности по мере удаления от дороги с 0,66 до 1,18. Возможно, это связано с хорошими физическими свойствами черноземов обыкновенных, однако вблизи дороги на них оказывают отрицательное воздействие выбросы автотранспорта.

Таблица 3. Структурно-агрегатный состав почв придорожных территорий

Тяжелые металлы, попадая в почву, вызывают ее переуплотнение [9]. Оно, в свою очередь, отрицательно сказывается на водно-физических свойствах. Низкая водопроницаемость и фильтрация дождевых и талых вод приводят к развитию эрозионных процессов, образованию поверхностного стока воды, внутрипочвенной верховодки, заболачиванию и непродуктивному испарению влаги. Из таблицы 4 видно, что почвы вблизи автодорог имеют плотность выше, чем на расстоянии 50 метров. На расстоянии 10 метров вблизи обеих трасс почва оценивается как сильно уплотненная, на расстоянии 50 метров - как уплотненная. Это связано непосредственно с негативным влиянием выбросов автотранспорта и с прямым антропогенным воздействием на придорожные территории.

Таблица 4. Плотность почв вблизи автодорог, г/см 3

Совокупность запасов органических веществ разных форм химического происхождения служит показателем гумусного состояния почв, включая процессы их создания, накопления, трансформации и миграции в почвенном профиле [10]. Из рис. 3 видно, что содержание органического вещества по мере удаления от автодороги Оренбург - Орск увеличивается. На расстоянии 10 метров содержание органического вещества составило 4,1%, а на расстоянии 50 метров - 4,9%. Такая закономерность объясняется разрушающим действием выбросов автотранспорта, в частности, тяжелых металлов, на почвенный гумус.

Рис. 3. Содержание гумуса вблизи автодорог, %

На участках, расположенных вблизи трассы Оренбург - Абдулино, прослеживается аналогичная ситуация. Однако в целом содержание органического вещества несколько выше и равно 4,9% на расстоянии 10 метров от дороги и 5,5% - на расстоянии 50 метров.

Результаты проведенных нами исследований снеговой воды показали, что вблизи трассы Оренбург - Орск отмечается превышение ПДК по никелю и кадмию, а вблизи трассы Оренбург - Абдулино превышено содержание кадмия на больших расстояниях. Остальные элементы находятся в пределах нормы. Содержание тяжелых металлов на мониторинговых землях трассы Оренбург - Орск превышает значения ПДК по цинку, никелю и кадмию. В почвах, расположенных вблизи трассы Оренбург - Абдулино, обнаружено превышение ПДК по тем же элементам, что и в почвах, находящихся в зоне влияния автотрассы Оренбург-Орск, кроме кадмия, концентрация которого находится в пределах ПДК, равной 0,3 мг/кг. С ежегодным поступлением микроэлементов и тяжелых металлов в почву за счет снеговой воды они частично осаждаются на поверхности и в небольшом количестве остаются в гумусовом горизонте, в основном, подвергаясь экзогенным процессам. Вымываясь из гумусового горизонта стоком талых вод и атмосферных осадков, часть их поглощается растениями. Микроэлементы и тяжелые металлы переносятся в грунтовые и поверхностные воды или остаются в понижениях рельефа. В связи с этим содержание их в почве становится меньше. В ходе изучения физических свойств почв было выявлено, что в непосредственной близости от дороги, вне зависимости от подзоны чернозема, почвы имеют удовлетворительный коэффициент структурности. Показатели плотности уменьшаются по мере удаления от автотрассы в обоих случаях. Анализ содержания органического вещества показал, что по мере удаления от дорожного полотна содержание гумуса увеличивается. Такая тенденция характерна для обеих автотрасс.

Для оценки интенсивности накопления тяжелых металлов в почвах придорожных территорий нами был использован суммарный показатель загрязнения (Zс) [10]:

где: Kсi - коэффициент концентрации химического вещества,

n - число суммируемых элементов, содержание которых в загрязненной почве превышает ПДК.

Для определения степени опасности загрязнения придорожных почв нами использовалась следующая шкала: 1) допустимая - менее 16; 2) умеренно опасная - 16-32; 3) опасная - 32-128; 4) чрезвычайно опасная - более 128. Исходя из полученных данных, можно сделать вывод о том, что на всех участках исследования данный показатель не превысил допустимого уровня.

Результаты исследований подтверждают, что самые высокие концентрации тяжелых металлов сосредоточены на расстоянии до 10 метров от полотна в слое 0-20 см.

Сравнение предельно допустимых концентраций с полученными результатами показывает существенное загрязнение почв тяжелыми металлами вблизи автодорог. Весьма актуальной экологической проблемой является высокое содержание тяжелых металлов в почвенном покрове и растениях, которое нередко достигает довольно высоких уровней. Поэтому сельскохозяйственное использование почв, прилегающих к дорожному полотну, и мероприятия по их охране необходимо проводить с учетом исследований, аналогичных изложенным в статье.

Список использованных источников

1. Морозов А.А., Прохорова Л.В. Экологические проблемы развития автомобильного транспорта // Научный вестник МГГУ. [Электронный ресурс]. - М.: Изд. НИТУ "МИСиС". - 2011, №5. - С. 26-40. Режим доступа - https://elibrary.ru/item.asp?id=16352894

2. Русанов А.М., Мисетов И.А., Шорина Т.С. К вопросу диагностики и оценки загрязненных нефтью черноземов // Вестник Томского государственного университета. - 2012, № 364. - С. 219-224.

3. Русанов А.М., Шорина Т.С. Опыт организации мониторинга почв Оренбургской области // Научное обеспечение устойчивого функционирования и развития АПК: материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Уфа: ФГОУ ВПО "Башкирский ГАУ". - 2009. - С. 274-277.

4. Шорина Т.С., Попов А.В., Укенов Б.С. Влияние автомобильного транспорта на свойства почв придорожных территорий города Оренбурга // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2013, № 6 (155). - ISSN: 1814-6457.

5. Степанова О.Б. и др. Мониторинг земель Оренбургской области. - Оренбург: Димур. - 2011. -28 с.

6. Елисеева М.В., Укенов Б.С. Фитотоксичность почв ботанического сада Оренбургского государственного университета // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: материалы Всероссийской научно-методической конференции. - Оренбург: ОГУ. - 2016. - С. 1316-1320.

7. Галактионова Л.В., Васильченко А.В. Оценка токсического загрязнения почв нефтепродуктами в результате деятельности автозаправочных станций с использованием метода биотестирования // Современные проблемы науки и образования. - 2015, № 2. - С. 2.

8. Панфилов А.А. Проблема загрязнения почвы автомобильным транспортом // Эксплуатация и обслуживание транспортно-технологических машин: Межвузовский сборник научных трудов. - Тюмень: ТюмГНГУ. - 2003. - С. 113-114.

9. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. Геохимия окружающей среды. - М.: Недра. - 1990. - 335 с.

10. Perzadaeva A.A., Auyezova N.S. Contamination of soils of wayside territories of boulevard of Republic by heavy metals // International Multidisciplinary Forum: Conference Proceedings [Electronic resource]. - Finland, Helsinki: Publ. SРО "Professional science". - 2017. - Р. 55-62. Acces mode - https://elibrary.ru/item.asp?id=28921353.

Размещено на Allbest.ru