Экологическая оценка влияния шлакового отвала на накопление тяжелых металлов в техногенно-измененных серых лесных почвах

Загрязнение окружающей природной среды токсическими веществами, в том числе тяжелыми металлами, является в настоящее время важной экологической проблемой. Основными источниками загрязнения окружающей природной среды в промышленно развитых городах, являются автотранспорт и промышленность [1, 2, 3,4,7,8,10, 18].

Наличие большого количества промышленных предприятий, а также автомобильного транспорта не могло не сказаться на экологическом состоянии природных объектов. Накопление элементов-загрязнителей в почвах происходит в течение всего периода действия источников загрязнения. Промышленное загрязнение почв идет в основном через атмосферу путем осаждения паров аэрозолей, пыли и растворенных соединений токсикантов с дождем и снегом. При загрязнении окружающей природной среды ТМ, концентрации которых выше ПДК, именно почва становится одним из основных и постоянно действующих источников их поступления в растения, природные воды, далее по пищевой цепи в корм животных и в пищу человека [12, 13, 17, 9, 11, 14]. Учитывая специфические особенности источников загрязнения, возникает острая необходимость исследований и объективной оценки степени влияния техногенеза на компоненты биосферы. Весьма важным является комплексный подход к изучению всех видов загрязнения и учет степени влияния различных источников загрязнения на функционирование природных и антропогенных ландшафтов [5, 6, 15, 16, 18].

В условиях техногенеза не решены экологические вопросы защиты почв от загрязнений тяжелыми металлами, расположенных вблизи промышленных предприятий и мест складирования различных видов отходов производства. Для решения этих вопросов необходим целенаправленный научно-экспериментальный материал, полученный на основе полевых и лабораторных исследований техногенно-измененных территорий, что и послужило основанием для изучения комплексного влияния шлакового отвала как источника загрязнения почвенного покрова и оценки степени деградационных изменений антропогенно-трансформированных земель Орловской области по валовому содержанию тяжелых металлов и степени их подвижности.

Цель исследований состояла в оценке степени деградационных изменений техногенно - трансформированных земель Орловской области.

В задачи исследований входило:

• 1.    Установить характер изменения агрохимических показателей техногенно-измененных серых лесных почв в зоне расположения шлакового отвала п. Думчино;

• 2.    Определить валовое содержание и степень подвижности тяжелых металлов в антропогеннопреобразованных серых лесных почвах;

В качестве объектов исследования были выделены три блока почв: естественно ненарушенные; естественно нарушенные поверхностно преобразованные (урбанопочвы), естественные нарушенные глубокопреобразованные (урбаноземы).

Отбор проб осуществлялся из поверхностного горизонта урбанозема серой лесной почвы на разном удалении шлакового отвала на территории п. Думчино Мценского района Орловской области. Для анализа брались смешанные образцы, техника отбора образцов стандартная. Все почвенные пробы были отобраны по методу конверта: для этого по углам квадрата 1 х 1 м и в его центре отбирали 5 равных образцов почвы, которые затем смешивали и получали интегральную почвенную пробу. Таким образом, избегали вклада микромозаичности почвы и получали образец, хорошо характеризующий состояние почвенного покрова в данной точке.

Лабораторные исследования проводились на кафедре земледелия Орловского государственного аграрного университета. Отобранные образцы почв анализировали по общепринятым методикам.

В экологической устойчивости антропогенно-измененных земель важную роль играют физико-химические свойства поверхностных горизонтов почв ландшафтов. Результаты исследования физико-химических свойств антропогенно-нарушенных почв на разной удаленности от источника загрязнения шлакового отвала (таблице 1), убедительно отражают изменения, происходящие в антропогенно поверхностно преобразованных почвах.

Таблица 1 - Агрохимическая характеристика антропогенно преобразованных серых лесных почв, слой 0-20 см

Удаленность	рН kcl	H г	Sосн.	EKO	P 2 O 5	К 2 0	Сорг. %	Гумус, %	V,%
		мг.-экв./100 г			мг/100 г
Шлаковый отвал п. Д			умчино Мценского района, Орловской области
20м	4,5	3,6	3,0	6,6	4,5	42,5	1,62	2,8	45,5
300 м	5,4	1,14	9,0	10,14	22,5	20,0	1,04	1,8	88,7

Почвенные пробы, отобранные в двух опытных точках на разном удалении от отвала, резко отличаются по своим свойствам. Так в гумусовом слое серой лесной почвы, удаленной от шлакового отвала на 20м величина обменной кислотности рН KCl 4,5 характеризуется как средне кислая. Величина гидролитической кислотности составила 3,6 мг/экв.на 100г почвы . Насыщенность основаниями почвенно-поглощающего комплекса низкая 45,5%. С экологической точки зрения величина емкости катионного обмена низкая 6,6 мг/экв. на 100г почвы и характеризует очень низкую устойчивость почвы к антропогенным воздействиям. Гумусовое состояние техногенно-измененной серой лесной почвы оценивается как повышенногумусированное для исследуемой группы почв с содержанием гумуса 2,8 %. Поскольку органическое вещество почвы оказывает разностороннее влияние на физические, физико-химические свойства, питательный режим, биологическую активность почвы, ее поглотительную способность и буферность, а также оказывает значительное влияние на процессы связывания тяжелые металлы в органоминеральные комплексные соединения разной степени подвижности. Обеспеченность подвижным фосфором очень низкая , содержание обменного калия очень высокая. Физико –химические свойства серой лесной почвы на большем удалении от шлакового отвала (300м) значительно отличаются от свойств почвы вблизи шлакового отвала. Гумусовый, верхний горизонт на глубине 0-20 см имеет низкое содержание гумуса 1,8%, что характеризует оценку почвы как «малогумусированная». При этом содержание гумуса в урбопочве вблизи шлакового отвала было в 1,6 раза выше количества гумуса почвы на большем удалении от источника загрязнения. Обеспеченность подвижными формами фосфора и калия высокая. Состояние почвенно-поглощающего комплекса серой лесной почвы отличается от состава поглощенных катионов в ППК техногенно-измененной почвы вблизи шлакового отвала, величина емкости катионного обмена увеличилась 10,14 мг/экв.на 100г почвы, в составе обменных катионов резко сокращаются количество обменных катионов Н⁺ и Al³⁺, их количество составило 1,14 мг/экв.на 100г или 11,3 % от емкости катионного обмена, что обусловливает снижение значений величины обменной кислотности рН KCl 5,4, и гидролитической кислотности 1,14 мг/экв. на 100г почвы.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что под действием антропогенных преобразований и воздействия шлаковых отходов происходят значительные изменения в составе и свойствах создаваемых антропогенно-измененных серых лесных почв, что предопределяет необходимость детального изучения этой группы почв, выполняющих важные экологические функции в окружающей среде.

В исследованных образцах для оценки характера накопления тяжелых металлов в антропогеннопреобразованной серой лесной почве на разной удаленности от источника загрязнения в слое 0-20 см определяли валовое содержание тяжелых металлов Cd, Cu, Cr, Ni, Pb, Zn и количество их подвижных форм (таблица 2). Валовое содержание исследуемых тяжелых металлов снижалось при увеличении расстояния удаленности расположения опытных площадок от шлакового отвала. Вблизи шлакового отвала (20м) в антропогенно - нарушенном слое урбанозема 0-20 см отмечается изменение в количественном содержании тяжелых металлов, так количество валового свинца превышало количество этого металла в гумусовом слое почвы, удаленной от отвала на расстояние 300м, на 15,13%.

Таблица 2 - Содержание тяжелых металлов серой лесной почве (0-20 см), мг/кг сух. в-ва

Удаленность	Элементы						Zc
	Cd	Сu	Сr	Ni	Рb	Zn
Шлаковый отвал п. Думчино Мценского района, Орловской области
Валовое содержание
20м	0,64	95,47	19,76	69,76	10,84	149,85	23,96
300м	0,50	75,05	19,21	45,63	9,20	122,35	18,29
Фоновая почва	0,9	12,3	36,0	15,0	12,7	13,4
Подвижная форма
20м	0,29	1,76	0,30	3,87	0,75	4,17	9,15
% от валового содержания	45,31	1,84	1,52	5,55	6,92	2,78
300м	0,23	2,16	0,18	3,49	0,68	3,87	8,3
% от валового содержания	46,0	2,88	0,94	7,65	7,39	3,16
Фоновая почва	0,3	1,5	0,9	0,7	0,3	4,6

Валовое содержание кадмия в почвах в непосредственной близости к отвалу возрастало на 21,88% в сравнении с его содержанием в почве на большей удаленности от отвала. Валовое количество таких металлов, как медь, цинк, никель в почвах вблизи шлакового отвала превышало содержание этих металлов в почвах, удаленных от отвала на 300м, в 1,3; 1,25; 1,53 раза соответственно. Валовое содержание хрома в опытных почвах, удаленных на 20 и 300 м от отвала, было практически одинаковым и колебалось в пределах 19,76-19,21мг/кг. Величина суммарного показателя загрязнения Zc серых лесных почв тяжелыми металлами изменялась от 23,96 ед на расстоянии почвы от шлакового отвала 20м до 18,29 ед. при удаленности почвы от отвала на 300м, что характеризует умеренно опасную степень загрязнения почвы, обусловливающую увеличение общей заболеваемости населения в очагах загрязнения.

Очевидно, что отдельные токсиканты могут, как увеличивать, так и ослаблять действие друг друга на изучаемый объект. В большинстве случаев, в реальных условиях эффективность действия смеси веществ несколько меньше, чем сумма эффектов всех веществ, и несколько больше, чем эффект каждого вещества.

Влияние тяжелых металлов определяется не только их валовым содержанием, но в первую очередь, содержанием водорастворимых и подвижных форм тяжелых металлов.

Исследованиями показано, что при загрязнении почв тяжелыми металлами увеличивается содержание их подвижных форм в почвах (таблица 2).

Представленные результаты наглядно показывают, что степень подвижности того или иного металла зависит не только от исходного валового количества, но и индивидуальных особенностей металла и влияния свойств почвенной среды.

Интерес представляют данные о накоплении подвижных форм тяжелых металлов в серых лесных почвах на разном удалении от источника загрязнения – шлакового отвала.

Наибольшее количество подвижных форм исследуемых металлов установлено в слое 0-20см серой лесной почвы на удалении от шлакового отвала 20м, а в почве с удаленностью от отвала на 300м отмечается закономерное уменьшение абсолютных количеств подвижных металлов, исключение составили данные о содержании подвижной меди, ее количество возрастало на 0,34мг/кг. Однако, степень подвижности исследуемых тяжелых металлов возрастала с увеличением удаленности от источника загрязнения. самый наибольший процент подвижных форм установлен для кадмия 45,31 – 46,0%, для свинца – 6,92-7,39%, никеля – 5,55- 7,65%.

В фоновой серой лесной почве самый высокий процент подвижных форм тяжелых металлов установлен для кадмия – 50% от валового содержания, цинк – 21,74%, хром – 16,8%, никель – 13,21, медь – 11,24% свинец – 8,21.

Доля подвижных форм тяжелых металлов в серой лесной почве убывает в ряду Zn˃ Cu ˃ Ni ˃ Cr ˃Pb˃Cd.

Таким образом, при загрязнении почв тяжелыми металлами их подвижность может повышаться и понижаться в зависимости от состояния почвенного покрова и степени агрохимического воздействия на почвы при наличии в них различных количеств загрязняющих веществ. При увеличении концентрации тяжелого металла до уровня выпадения осадка, или образования устойчивых комплексов, подвижность тяжелых металлов снижается. Но может складываться ситуация увеличения концентрации тяжелых металлов в растворе, когда создаются условия для повышения растворимости образуемых осадков, и степень подвижности тяжелых металлов увеличивается.

Валовое содержание исследуемых тяжелых металлов снижалось при увеличении расположения опытных площадок от шлакового отвала. Удаление от отвала на расстояние 20м в антропогенно - нарушенном слое 0-20 см обусловило изменение в количественном содержании тяжелых металлов: количество валового свинца превышало количество этого металла в гумусовом слое почвы, удаленной от отвала на расстояние 300м на 15,13%. Валовое содержание кадмия в почвах в непосредственной близости к отвалу возрастало на 21,88% в сравнении с его содержанием в почве на большей удаленности от отвала. Валовое количество таких металлов, как медь, цинк, никель в почвах вблизи шлакового отвала превышало содержание этих металлов в почвах, удаленных от отвала на 300м, в 1,3 раза, 1,25, 1,53 раза соответственно.

Наибольшее количество подвижных форм исследуемых металлов установлено в слое 0-20см серой лесной почвы на удалении от шлакового отвала 20м, а в почве с удаленностью от отвала на 300м отмечается закономерное уменьшение абсолютных количеств подвижных металлов. Однако степень подвижности исследуемых тяжелых металлов возрастала с увеличением удаленности от источника загрязнения. Самый наибольший процент подвижных форм установлен для кадмия 45,31 – 46,0%, для свинца это – 6,92-7,39%, никеля – 5,55- 7,65%.

Доля металлов, извлекаемых из пробы аммонийно-ацетатным буфером с рН=4,8, доля подвижных форм тяжелых металлов для серой лесной почвы убывает в ряду Zn˃ Cu ˃ Ni ˃ Cr ˃Pb˃Cd.