Особенности пространственных распределений хрома и никеля в поверхностном слое почвы селитебных зон города Новый Уренгой

тяжелых металлов характерны для старопромышленных районов Урала, что вполне очевидно может быть следствием длительной индустриальной нагрузки на окружающую среду. Для проверки этого предположения необходимо исследование территорий, не имеющих промышленности, сложившейся за длительный исторический период. Наиболее подходящими для этой задачи являются северные территории.

Цель работы – представление особенностей пространственных распределений концентраций валовых форм хрома и никеля в почвах селитебных зон города Новый Уренгой Ямало-Ненецкого автономного округа по результатам почвенного экологического скрининга.

Общая характеристика территории. Город Новый Уренгой, основанный в 1975 г., расположен приблизительно в 50 км к югу от Северного полярного круга в Ямало-Ненецком автономном округе. Примерно в 5 км к юго-западу от центра города расположен аэропорт. Основание города связано с началом разработки Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения. Рабочие поселки Лимбяяха и Коротчаево были основаны в 1983 г и 1982 г. приблизительно в 60 км и 70 км к востоку от Нового Уренгоя, соответственно, и вошли в состав г. Новый Уренгой в 2004 г. В поселке Лимбяяха расположена гидроэлектростанция, в поселке Коротчаево находится железнодорожная станция и речной порт на реке Пур.

Основной отраслью промышленности является добывающая (газ, конденсат и нефть). Аграрный сектор, а также производство, связанное с возможной эмиссией соединений хрома, отсутствуют. Практически везде почва представлена песком с фракциями менее 1 мм. Как правило, для этих территорий характерны аллювиально-гумусовые подзолы с небольшим содержанием органических компонентов. Известно, что растворимые формы тяжелых металлов выщелачиваются из аллювиальногумусных подзолов [4].

Почвенный экологический скрининг и химический анализ. В настоящей работе использованы данные, полученные авторами в рамках рутинного экологического скрининга г. Новый Уренгой в 2008 г. Отбор проб почвы в селитебных зонах г. Новый Уренгой спланирован по квадратной сетке с шагом 250 м и проведен в июне 2008 г. Всего было отобрано 340 проб почвы. Из них 306 проб составили регулярную выборку и 34 пробы – фоновую. Регулярная выборка составлена из 4 территориальных групп проб почвы: Южная часть (NUS) – 150 проб, Северная часть (NUN) – 80 проб, Лимбяяха (NUL) – 20 проб, Коротчаево (NUK) – 56 проб. Фоновая выборка (NUB) представлена 34 пробами, удаленными от урбанизированных территорий, с целью исключения влияния возможных источников загрязнения. В скобках приведены пространственные префиксы групп проб почвы. Отобранные пробы подвергались стандартной процедуре пробо-подготовки, включающей следующие стадии: сушка до воздушно-сухого состояния при температуре до 105 C; просеивание на сите 1,0 мм для определения подвижных форм; измельчение до 0,074 мм для определения валовых форм.

Количественный химический анализ был проведен в аккредитованном химикоаналитическом центре ИПЭ УрО РАН с использованием атомно-абсорбционного спектрофотометра (AAS-3, Carl Zeiss Jena, Germany) и масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой ELAN 9000, Perkin Elmer. Список показателей и веществ программы химического анализа проб почвы составлен на основании их потенциальной опасности для среды обитания: pH, нефтепродукты; валовые формы (Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Sb, Hg, Pb); растворимые формы (F, Cr, Co, Ni, Cu, Zn,).

Рис. 1. Пространственное распределение концентрации валовой формы хрома в почве селитебных зон Южной части и Северной части

Результаты и обсуждение. В большинстве проб почвы концентрации растворимых форм хрома, кобальта и никеля, а также валовых форм кадмия, сурьмы и ртути оказались ниже пределов обнаружения методов химического анализа, использованных в настоящей работе. Анализ показал, что эмпирические функции плотности вероятности концентраций валовых форм хрома и никеля бимодальны для всех исследуемых пространственных групп: NUS, NUN, NUL, NUK. На рис. 1 представлены результаты интерполяции полей пространственного распределения в почве концентрации валовой формы хрома, построенные в пакете ESRI ArcGIS методом ординарного кригинга с параметрами по умолчанию для пространственных групп NUS и NUN. Там же представлены диаграммы рассеивания в координатах концентраций валовых форм хрома и никеля, на которых отчетливо видны два кластера проб.

На основе сравнения пространственных распределений концентраций валовой формы хрома и диаграмм рассеивания каждая пространственная группа проб (NUS, NUN, NUL, NUK) была разделена на 2 подгруппы: городской хромовый фон (Urban Chromium Background — UCrB) и городская хромовая аномалия (Urban Chromium Anomaly — UCrA). Оказалось, что пробы почвы разделились на фоновые и аномальные подгруппы по хрому и на пространственных распределениях и на диаграммах рассеивания. Количество проб почвы, средние значения и стандартные отклонения в подгруппах представлены в таблице 1. Средние концентрации валовой формы хрома в аномальных подгруппах (суффикс UCrA) на порядок величины выше, чем в фоновых подгруппах (суффикс UCrB), а для никеля – в 2 раза. Статистический анализ с использованием критерия Манна-Уитни показал значимое различие концентраций валовой формы хрома (и никеля) для фоновых (суффикс UCrB) и аномальных (суффикс UCrA) подгрупп для всех четырех пространственных групп: NUS, NUN, NUL, NUK. Эти результаты свидетельствуют, что пространственные группы проб почвы разделены по концентрации валовой формы хрома на фоновые и аномальные подгруппы достаточно корректно, что позволяет предположить различное происхождение соединений хрома (и никеля) в почвенных пробах аномальных и фоновых подгрупп.

Таблица 1. Подгрупповые средние (M) и стандартные отклонения (SD)

Заключение и выводы. В результате проведенного почвенного экологического скрининга в селитебных зонах субарктической урбанизированной территории муниципального образования город Новый Уренгой, включая поселки Лимбяяха и Коротчаево, обнаружены пробы с аномально высокими концентрациями валовой формы хрома. Пространственные распределения концентраций валовых форм хрома и никеля в почве носят пятнистый характер, а соответствующие функции распределения вероятностей – бимодальны для всех четырех пространственных групп проб почвы. Пространственный и статистический анализ позволил разделить пробы почвы по концентрации валовой формы хрома на аномальные и фоновые подгруппы.

Сравнение фоновых концентраций валовых форм хрома в Уральском регионе России (Уральский кларк – 300 мг/кг) и в почвах мира (Мировой кларк – 200 мг/кг) показало, что концентрация валовой формы хрома в подгруппах UCrB не превышает этих величин. В то же время концентрация валовой формы хрома в подгруппах UCrA в два раза выше, чем Уральский кларк [10, 11]. Концентрация валовой формы хрома в подзолах находится в диапазоне 2,6-34 мг/кг в Канаде [3] и в диапазоне 3-200 мг/кг в США [7].

Средние концентрации валовой формы хрома в аномальных подгруппах на порядок величины превосходят средние концентрации валовой формы хрома в фоновых подгруппах. Средние концентрации валовой формы никеля в аномальных подгруппах примерно в два раза выше, чем в фоновых подгруппах.

Обнаруженные пятна хромовых аномалий расположены в селитебных зонах вдали от промышленных зон, что позволяет предположить, что их происхождение не связано с промышленной активностью. Подобные результаты, такие как пятнистость картин пространственных распределений и бимодальность эмпирических функций плотности вероятности, получены авторами в предельно подробных экологических скринингах снегового покрова малых площадок (с характерным размером около нескольких метров) и профилей (длиной несколько десятков метров) на предмет пылевого загрязнения снега от действующих карьеров [12] и при снеговых экологических скринингах территорий промышленных городов [9]. Таким образом, необходимы дальнейшие исследования происхождения пятен хромовых аномалий и идентификация соединений хрома, характерных для фоновых и аномальных подгрупп проб почвы, что поможет прояснить происхождение обнаруженных в настоящей работе хромовых аномалий.