Распределение тяжелых металлов в почвах катенарных комплексов на границе санитарно-защитных зон горнорудных предприятий

В практике регионального экологического мониторинга пока еще недостаточно используются методологические принципы и достижения геохимии ландшафтов, в частности, учет роли миграционных процессов в формировании ореолов загрязнения в конкретной ландшафтной обстановке. Многие источники мощного техногенного воздействия находятся в районах с густой овражно-балочно-долинной сетью, как, например, Лебединский и Стойленский ГОКи в Белгородской области. Старооскольско-Губкинский промышленный район неоднократно являлся объектом геоэкологических исследований [2-4, 7], однако в цели указанных исследований не входило изучение катенарных комплексов для определения характера миграции тяжелых металлов (ТМ).

Объекты и методы исследований. С целью изучения миграции ТМ в почвах на границах санитарно-защитных зон горнорудных предприятий Старооскольско-Губкинского промышленного района в 2010 г. нами исследовано две трансекты в балке Дальний Лог и ее ответвлениях (б. Котеневские Верхи, ур. Долгое) (рис. 1). На каждой трансекте по линиям тока заложено две катены – по одной на каждом склоне балки (рис. 2а и 2б). Почвенные образцы отбирались в слое 0-15 см. Для точек, находящихся в элювиальной, трансэлювиальной и супераквальной позициях, дополнительно проводилось бурение на глубину 120 см. В 36 образцах с помощью

рентгенофлуоресцентного спектрометра «Спек-троскан-МАКС-GV» определены концентрации 11 различных тяжелых металлов и соединений.

Результаты и их обсуждение. Объекты исследования расположены в зоне сильных нарушений природной среды деятельностью горнорудного производства (0,5-6 км по классификации Ю.Е. Саета). В результате обобщения большого количества литературных данных Б.Г. Саксиным и М.Б. Бубновой [9] выявлены основные характеристики этой зоны: уровень химического загрязнения почв может достигать 5 ПДК, экосистемы имеют низкую способность к самоочищению, в степных сообществах на более чем половине территории указанной зоны происходит угнетение растительности или смена в составе эдификаторов с увеличением доли более ксерофитных рудеральных видов. Позднее нами установлено[5], что в этой зоне происходит накопление ТМ в растениях. В частности, достигнут МДУ по содержанию свинца, имеются случаи превышения нормальной концентрации кадмия в растениеводческой продукции. В почвах подчиненных позиций в более чем половине случаев выявлены сверхфоновые концентрации Cd, Pb, Cu, Zn [1]. Основная часть загрязнителей в почвенный покров поступает в адсорбированном виде. Складируемые в отвалы гонные породы имеют повышенное содержание Fe, Cr, V и других ТМ, что создает условия для вовлечения этих элементов в миграционные процессы [6]. С одного гектара пылящей поверхности хвосто-хранилищ ГОКов выносится 277 т/год взвешенных веществ, что выражается в общем объеме их эмиссии более 8 тыс. т/год [10]. В непосредственной близости от подверженных дефляции пляжей хвостохранилищ концентрация пыли в воздухе достигает 1,37 мг/м³ при скорости ветра 7 м/с [11].

Рис. 1. Схема расположения объектов исследований: 1 – Западная трансекта (б. Котенев-ские Верхи), 2 – Восточная трансекта (б. Дальний Лог)

б)

Рис. 2. Профили изученных трансект: а) – Западная трансекта, б) – Восточная трансекта

Согласно полученным данным, в почвах обеих трансект фоновые концентрации (определялись как средневзвешенные для агропочв Белгородской обл.) по меди и цинку превышены во всех случаях. На южном склоне западной трансекты превышения фона по свинцу выявляются во всех образцах, что может быть объяснено не только ориентацией склона по отношению к предприятиям горнодобывающего комплекса (ГДК), но и близостью этого объекта к автодороге Долгая Поляна – Верхнечуфичево. В почвах восточной трансекты фон по свинцу также превышен повсеместно. Вблизи восточной трансекты не проходят автодороги и зафиксированные превышения могут быть связаны с поступлением свинца от объектов ГДК и, частично, с обработкой почвы. Превышений норм ОДК по Cu, Ni, Pb, Zn [8] в ходе исследования не зафиксировано. Концентрации, сопоставимые с ОДК, получены только по мышьяку. На западной трансекте минимальные концентрации большинства тяжелых металлов получены в образцах 10KAT012 и 10KAT017, отобранных в днище балки, что может быть объяснено интенсивным выносом элементов в результате механической миграции (с твердой частью стока). Для почв восточной трансекты такой закономерности не было выявлено, т.к. в днище балки расположен водный объект.

По полученным данным рассчитаны коэффициенты латеральной (КЛД) и радиальной (КРД) дифференциации. Значения КЛД (табл.) указывают на то, что на северном склоне западной трансекты происходит перераспределение большинства ТМ в почвы подчиненных позиций. Наиболее интенсивно перераспределяются V, Cr, As и Pb, причем для свинца в точке 10KAT16 зафиксировано минимальное содержание, что привело к получению аномального КЛД.

Таблица. Коэффициент латеральной дифференциации содержания ТМ и соединений в почвах

В устье балки Дальний Лог (восточная трансекта) аккумуляция ТМ и их соединений в подчиненных позициях характерна только для склона южной экспозиции. Как известно, он более подвержен эрозии, что способствует переносу ТМ вниз по склону. На остальных катенах концентрация ТМ в почвах автономных позиций выше, чем в нижней части склона по 10 элементам и соединениям из 11, усредненный по всем элементам и соединениям КЛД находится в пределах 0,86-0,89. Возможно, темпы поступления загрязнителей аэральным путем превышают скорость их латерального перераспределения. Следует отметить, что на восточной трансекте отбор образцов в нижней части склона был сделан на берегах водоема. Для получения более объективной картины необходимо провести изучение донных илов.

Коэффициент радиальной дифференциации используется для оценки вертикальной миграции элементов. В результате анализа полученных значений КРД, установлено, что в приповерхностном слое почв супераквальных фаций западной трансекты происходит накопление всех анализируемых элементов и соединений за исключением Cr. В трансэллювиальных звеньях катен в верхних горизонтах почв наблюдается накопление Zn, MnO и Sr. Для элювиальной позиции северного склона также характерна концентрация этих загрязнителей в пахотном горизонте. В верхних горизонтах почв южного склона наблюдается накопление As, Pb, MnO; менее интенсивно накапливаются V, Fe 2 O 3 , Cu, Zn, Rb. Интенсивная миграция Cr, Ni, As, Pb в нижележащие горизонты почв наблюдается в трансэлювиальных позициях катенарных комплексов.

В нижней части склона восточной трансекты также происходит накопление большинства элементов и соединений: MnO, Fe 2 O 3 , Ni, Zn, As, Pb и Rb. Помимо этого накапливается Cr. Для восточной трансекты характерны более высокие значения коэффициента радиальной дифференциации по Fe 2 O 3 , Rb, MnO и Cr, чем для западного. Учитывая, что восточная трансекта находится в устье балки Дальний лог, можно утверждать, что указанные загрязнители наиболее интенсивно перераспределяются овражно-балочно-долинной сетью, что и приводит к росту их концентраций в приповерхностном слое. Для почв, отобранных на плакорах также характерна повышенная концентрация исследуемых элементов и соединений в приповерхностном слое, что может быть объяснено аэральным загрязнением. На южном склоне восточной трансекты КРД чаще принимают значения менее единицы. Это указывает на повышенное содержание ТМ в глубоких горизонтах почв и может быть связано как с вертикальной миграцией, так и с выносом загрязнителей из приповерхностного слоя почвы в результате протекания эрозионных процессов.

Выводы: сложность изучения миграции ТМ на указанной территории состоит в одновременном протекании процессов поступления элементов и их перераспределения стоком, причем скорости этих процессов сопоставимы. Несмотря на то, что ОДК по подавляющему большинству элементов не достигнуты, повсеместное превышение фоновых концентраций ТМ позволяет говорить о загрязнении почв. Анализ коэффициентов латеральной и радиальной дифференциации ТМ и их соединений показал, что для изучения радиальной и латеральной составляющих миграционных потоков с наибольшей эффективностью могут быть использованы данные о содержании в почвах Cu, Pb, Cr, Fe 2 O 3 , V и Sr. При ведении почвенно-экологического мониторинга значительное внимание должно быть уделено исследованию почв днищ балок, а также нижних частей склонов южной экспозиции, обращенных к источникам потенциального загрязнения.

Работа выполнена по проекту «Проведение поисковых НИР по направлению «География и гидрология суши» (ГК П743) мероприятия 1.2.1 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.».