Профильное распределение массовых концентраций и запасов кадмия в почвах Курска

Тяжелые металлы являются приоритетными загрязнителями городских почв. Одним из городов, в котором почвы загрязнены тяжелыми металлами, является Курск.

Тяжелые металлы, которые поступают в почву, накапливаются в её толще, особенно в верхнем гумусовом горизонте, и медленно удаляются при выщелачивании и эрозии. Первый период удаления половины от начальной концентрации тяжелых металлов сильно изменяется в различных элементах и занимает чрезвычайно продолжительный период времени: для Zn – 70-510 лет; Cd – 13-110 лет; Cu – 310-1500 лет; Pb – 770-5900лет.

К основным источникам загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами относятся заводы по переработки аккумуляторных батарей, автомобильный транспорт, предприятия черной и цветной металлургии, машиностроения [2, 6, 7].

Материалы и методы. В качестве объекта исследования были выбраны городские почвы функционирующие под лесопарковыми насаждениями и под травянистой растительность. Пробы отбирались на шести участках, расположенных в разных районах города: парк «Боева дача», микрорайон Волокно, СНТ «Химик», Горелый лес, ул. Пучковка, ул. 2-я Рабочая. В качестве контроля использовали почвы косимого участка Стрелецкой степи Центрального черноземного биосферного заповедника им. В.В. Алехина, а также участок заповедника находящийся под лиственным лесом.

Отбор проб проводился методом конверта. Определение концентраций подвижных форм тяжелых металлов проводилось методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторе ТА–4. Пробоподготовка и анализ проб выполнены в соответствии с методиками МУ 31–04/04. Отбор проб почвы проводили согласно ГОСТ 28168-89, 2008. Подвижные формы ТМ извлекались ацетатно-аммонийным буфером (pH-4,8).

Результаты и обсуждения. На участке СНТ «Химик» зафиксировано превышение ПДК по кадмию на глубине 0-20 см в 6 раз, на глубине 20-40 см в 1,5 раз, на глубине 40-60 см в 1,9 раз. Для кадмия характерно накопление в аккумулятивно-гумусовом горизонте, о чем и свидетельствуют наиболее высокие концентрации металла в поверхностных горизонтах 0-20 см.

Исследуемый участок в районе «Ул. 2-я Рабочая» имеет чистые почвы относительно содержания кадмия. Концентрации металла в поверхностных горизонтах выше фоновых значений. Кадмий накапливается в аккумулятивно-гумусовом и иллювиальном горизонтах, наибольшие концентрации на глубине 80-100 см.

Содержание кадмия в поверхностном горизонте на участке по ул. Пучковка ниже фонового значения и в пределах нормы по всему профилю. Кадмий концентрируется преимущественно в срединной части.

Проанализировав результаты полученные с контрольного участка, отметили, что содержание кадмия на участке ЦЧЗ им. проф. В.В. Алехина (косимый участок) превышает ПДК на глубине 20-40 см в 1,5 раз, что скорее всего обусловлено воздействием сельскохозяйственных сенокосных машин.

При изучении профильного распределения концентраций подвижных форм кадмия в почвах, функционирующих под лесопарковыми массивами были отмечены некоторые особенности поведения кадмия. Почва исследуемого участка лесопарка микрорайона оказалась загрязнена кадмием по всей глубине профиля. Содержание кадмия на глубине 0-20 см превышает ПДК в 9 раз, на глубине 20-40 см в 2 раза, на глубине 40-60 см в 4,8 раз, на глубине 60-80 см в 2 раза. Наибольшие концентрации кадмия зафиксированы в гумусово-аккумулятивном горизонте.

Содержание кадмия в почвах участка парка «Боева дача» соответствует санитарным нормам, но заметно превосходит фоновые значения. Зафиксированы снижения концентраций подвижных форм кадмия вниз по почвенному профилю. На данном участке отсутствуют застройки и хозяйственная деятельность человека, однако «Боева дача» ландшафтно не защищена от поверхностного городского стока, поэтому, скорее всего и отмечаются явные превышения над фоном.

Содержание кадмия на участке Горелый лес превышает ПДК на глубине 0-20 см в 1,1 раз, на глубине 20-40 см в 1,9 раз. В поверхностном горизонте содержание кадмия выше фонового уровня. Для кадмия характерно накопление в гумусово-аккумулятивном горизонте почвы. Загрязнение кадмием обусловлено нахождением урочища в непосредственной близости с промышленными и военными объектами.

Превышений предельно допустимых значений массовых концентраций подвижных кадмия на участке «ЦЧЗ им. проф. В.В. Алехина (лес)» не обнаружено. Содержание кадмия выше фонового уровня по области.

Для чернозема типичного характерны эллювиально-иллювиальные процессы накопления изучаемого металла, что обусловлено микроклиматическими и фитоценотическими условиями лесного сообщества – обилие влаги и подкисление почвенного раствора увеличивает мобильность кадмия и способствует его миграции вниз по профилю.

В почвах, развивающихся под лесными биоценозами, наблюдается отчетливый рост подвижности кадмия в глубине почвенного профиля 40-80 см, расположена корнеобитаемая зона древесных форм, которые в процессе своей жизнедеятельности выделяют эксудаты (органические кислоты), мобилизующие кадмий.

В настоящее время для проведения экологической оценки качества почвенного покрова фиксируют содержания химических элементов в поверхностном горизонте почвы и сравнивают их с нормативами ПДК, относя почву либо к категории соответствующие, либо – не соответствующие нормам. Применение данного подхода объясняется расположением корнеобитаемой зоны растений именно в поверхностных горизонтах. Существует, так называемый, ресурсный подход в оценке качества почв, который учитывает не массовые концентрации загрязняющего вещества только в поверхностном горизонте, а запасы элемента в метровой толще почвы на единицу площади, т.е. объемные концентрации. Его используют как дополнительный критерий, учитывающий специфику почвы как природного объекта.

В нашей работе проведен расчет запасов элементов в изучаемых почвах и сравнили его с запасами так называемого ПДК г/м2 полученного расчетным путем пересчета общепринятых ПДК в единицу измерения г/м2. Для пересчета взяли среднюю плотность минеральных почв 1,5 г/см3 или (1500 кг/м3) [4, 5].

Из данных приведенных в таблице 1 видим, что запасы кадмия превышают расчетный норматив в почвах следующих участков: лесопарк

Волокно в 4,9 раза, СНТ Химик в 2,7 раза, Горелый лес в 1,1 раза. В остальных участках ресурсного загрязнения почвенного профиля не обнаружено (Таб. 1).

Таблица 1.

Запасы свинца и кадмия в почвах г. Курска, отличающихся по гранулометрическому составу и типу продуцируемого сообщества (мг/м2)

Заключение. Почвы г. Курска испытывают техногенную нагрузку. В местах сосредоточения промышленных предприятий обнаружены превышения ПДК подвижных форм кадмия в поверхностных горизонтах. Почвы, функционирующие под травянистыми фитоценозами обладают большим запасом кадмия, чем почвы под древесно-кустарниковыми насаждениями, т.к. часть запасов элемента в лесных фитоценозах сосредоточена в древесине, что хорошо наблюдается на примере обследованных нами участков ЦЧЗ им. В.В. Алехина. Запасы кадмия в почвах продуцирующих травянистую растительность сосредоточены преимущественно в поверхностных горизонтах и убывают вниз по профилю. Запасы почв лесопарков и лесов сосредоточены как в поверхностных горизонтах так и в эллювиально-иллювиальной морфофункциональной зоне почвенного профиля.

Согласно традиционному подходу в оценке качества почв выявлены не соответствующие нормам по содержанию подвижного кадмия участки: СНТ «Химик», микрорайон Волокно, урочище Горелый лес. Эти же участки являются загрязненными кадмием согласно ресурсному подходу Смагина.

Из выше сказанного следует, что для экологической оценки качества почвенного покрова в условиях города помимо традиционной методики, включающей только исследования поверхностного горизонта, необходимо проводить анализ профильного распределения поллютантов и оценивать их запасы в метровой толще почвы на единицу площади. Такой подход дает наиболее полное представление об экологической ситуации в городской среде.