Содержание и профильное распределение валовых форм тяжелых металлов в почвах урбанизированных территорий юга России

Автор: Дубинина Марина Николаевна, Горбов Сергей Николаевич, Безуглова Ольга Степановна, Шерстнев Алексей Константинович

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Рубрика: Общая биология

Статья в выпуске: 2-2 т.18, 2016 года.

Бесплатный доступ

В работе изучено валовое содержание тяжелых металлов (ТМ) (никеля, цинка, меди, свинца) в почвах урбанизированных территорий различного генезиса на примере Ростовской агломерации: черноземов миграционно-сегрегационных и антропогенно-преобразованных почв (урбостратоземов и урбистратифицированных черноземов). Анализ полученных результатов позволяет провести оценку уровня загрязнения почв ТМ, а также сделать предварительные предположения о характере профильного распределения этих элементов под горизонтами урбик антропоземов, о возможных путях миграции токсикантов из антропогенных слоев в нижележащие нативные горизонты и о блокирующем воздействии на миграцию ТМ экранирующих слоев, таких как асфальт и бетон. Суммарный коэффициент загрязнения свидетельствует о допустимом уровне опасности. Сравнение полученных данных с имеющимися сведениями о фоновом содержании исследованных металлов дает основание уточнить роль процессов урбанизации в формировании почвенного покрова в целом и накоплении химических веществ и элементов, в частности.

Еще

Городские почвы, тяжелые металлы, урбостратозем, чернозем миграционно-сегрегационный, запечатывание территории

Короткий адрес: https://sciup.org/148204484

IDR: 148204484

Текст научной статьи Содержание и профильное распределение валовых форм тяжелых металлов в почвах урбанизированных территорий юга России

средой. Любые изменения надпочвенных режимов (климатических, физических, химических и т.п.) отражаются на почвенном покрове и его свойствах, поэтому изучение механизмов сопротивляемости и приспосабливаемости почв к различным факторам, а особенно связанным с антропогенным воздействием, становятся все актуальнее. Как следствие изучение реакции почв на эти изменения позволяет определить степень влияния процессов урбопедогенеза на почвенный покров.

Объекты исследования и методы. Изучены почвы территории Ростовской агломерации, как средоточия индустриальной, транспортной и социальной активности Ростовской области. Объектами исследования являются почвы урбанизированных территорий разных функциональных зон агломерации с соответственно разным уровнем антропогенной нагрузки. Естественные почвы исследуемой территории представлены в основном черноземами миграционно-сегрегационными мощными (среднемощными) высококарбонатными тяжелосуглинистыми на лессовидных суглинках – разрезы 1205, 1403 (почвы залежных территорий); 1305, 1306, 1402, 1502, 1504 (черноземы лесопарков под древесной растительностью).

Антропогенно-преобразованные почвы данной территории представляют собой урбистратифи-цированные черноземы и урбостратоземы на погребенных черноземах миграционно-сегрегационных на лессовидных суглинках – разрезы 1201, 1202, 1204, 1404, 1405, 1501, 1503. Зачастую данные почвы экранированы плотными покрытиями и антропогенные горизонты таких почв крайне разнообразны по характеру состава и сложения [9].

Исследование содержания массовой доли (валового содержания) ТМ было произведено рентгенофлуоресцентным методом на рентгеновском аппарате для спектрального анализа «Спектроскан МАКС-GV» [10]. Для экологической оценки уровня загрязнения почв рассматриваемых территорий никелем, медью, цинком и свинцом произведено сравнение полученных данных с гигиеническими нормативами ПДК [6] и ОДК [7], а также с данными по фоновому валовому содержанию этих элементов в почвах данной территории (табл. 1) [1]. Как индикатор неблагоприятного воздействия загрязнения почв тяжелыми металлами на здоровье населения производится расчет суммарного показателя загрязнения Zc, который дает представление об уровне загрязнения почв с учетом фоновых величин и суммарного содержания этих ТМ [8]. Для свинца существует норматив ПДК, однако в дальнейшем для оценки содержания его и других металлов рекомендовано пользоваться величинами ОДК, так как этот нормирующий документ имеет градацию числовых значений для трех литогеохимических групп почв с учетом гранулометрического состава и кислотнощелочных свойств почвы.

Таблица 1. Микроэлементный состав лессовидных суглинков на территории Ростовской агломерации [1].

Микроэлементный состав, мг/кг
элемент Ni	Cu	Zn	Pb
фон, мг/кг 45	30	65	20

Результаты исследований и их обсуждение. В результатах исследований представлен массив данных валового содержания никеля, меди, цинка и свинца в двух группах почв, дифференцированных по характеру сложения и генезиса. Профильное распределение никеля и меди (табл. 2) в горизонтах естественных почв показывает плавное снижение содержание элементов с глубиной в очень нешироком диапазоне величин, что свидетельствует о стабильности соединений этих элементов и слабой их миграции по профилю. Тем не менее, характер распределения этих двух металлов по профилю почвы демонстрирует различное их поведение в почве: если никель явно накапливается в перегнойноаккумулятивной толще по сравнению с материнской породой, то медь в почвенном профиле заметно подвижнее – тому свидетельство обогащение средней части профиля по сравнению с породой и обеднение поверхностных горизонтов.

Таблица 2. Распределение никеля и меди в профилях почв естественного сложения (черноземы миграционно-сегрегационные)

Ni ОДК с учетом фона (кларка) 80 мг/кг [7] / Фоновое содержание 45 мг/кг [1]
Черноземы миграционно-сегрегационные
Горизонт / Разрез	1205	1305	1306	1402	1403	1502	1504
Ad	62,90	56,84	57,16	54,41	55,79	61,72	57,17
A	61,56	61,25	61,90	58,51	58,08	62,28	59,10
B1	59,51	63,33	61,32	54,08	57,65	58,84	55,67
B2	57,59	60,55	63,87	50,52	52,37	52,54	51,41
BC	53,84	55,60	58,38	52,01	46,76	50,49	50,02
Cca	55,04	51,62	54,52	50,74	46,66	53,36	48,14
Cu ОДК с учетом фона (кларка) 132 мг/кг				[7] / Фоновое содержание 30 мг/кг [1]
Черноземы миграционно-сегрегационные
Горизонт / Разрез	1205	1305	1306	1402	1403	1502	1504
Ad	54,12	56,84	57,16	41,73	46,17	56,58	45,54
A	55,10	61,25	62,00	49,57	50,13	54,31	54,30
B1	57,95	63,33	61,32	53,33	53,53	61,06	56,51
B2	64,32	60,55	63,87	52,94	52,76	58,13	58,75
BC	58,06	55,60	58,38	53,12	53,84	56,88	57,48
Cca	60,36	51,62	54,52	53,33	54,93	59,13	54,77

Цинк проявляет выраженную тенденцию к увеличению концентраций в дерновом и перегнойно-аккумулятивном горизонтах, в нижележащей толще наблюдается выравнивание его содержания (табл. 3, рис. 1). Это может свидетельствовать как о наличии внешнего источника, поставляющего цинк на поверхность почвы (и такой источник имеется – крупное лакокрасочное предприятие ЗАО «Эмпилс»), так и об однородности почвообразующих пород по этому показателю по всей исследуемой территории.

Свинец отличается крайним разбросом концентраций даже в пределах одного профиля. Накопление свинца в поверхностных горизонтах некоторых разрезов объясняется близостью к крупным трассам. Поведение этого элемента в профиле почвы можно объяснить высоким сродством с гумусовыми веществами почв [3, 4], именно такое распределение визуализировано на рис. 2. В средней части профиля в почве под лесной растительностью в разрезах 1402 и 1504 наблюдается аномально низкое содержание свинца, что может быть обусловлено особенностями гранулометрического и минералогического составов этих горизонтов, но выяснение этого вопроса требует дополнительных исследований.

Таблица 3. Распределение цинка и свинца в профилях почв естественного сложения (черноземы миграционно-сегрегационные)

Zn ОДК с учетом фона (кларка) 220 мг/кг [7] / Фоновое содержание 65 мг/кг [1]

Черноземы миграционно-сегрегационные

1	2	3	4	5	6	7	8
Горизонт / Разрез	1205	1305	1306	1402	1403	1502	1504
Ad	88,35	105,35	125,44	114,16	91,20	123,21	179,69
A	79,14	80,20	77,20	81,00	98,20	84,99	80,87
B1	80,19	78,96	77,39	84,05	72,51	84,31	78,32
B2	81,70	75,52	78,65	67,38	71,89	72,89	75,58
BC	75,78	72,37	79,11	74,38	63,80	73,81	75,10

1	2	3	4	5	6	7	8
Cca	76,22	75,74	71,92	74,14	66,20	71,87	68,95
Pb ОДК с учетом фона (кларка) 130 мг/кг [6, 7] / Фоновое содержание 20 мг/кг [1]
Черноземы миграционно-сегрегационные
Горизонт / Разрез	1205	1305	1306	1402	1403	1502	1504
Ad	39,41	25,78	40,75	30,63	21,21	47,07	50,19
A	26,23	28,61	19,39	22,32	22,65	22,84	21,22
B1	8,33	19,94	13,74	4,09	23,09	20,96	1,26
B2	9,76	20,45	15,93	4,06	11,08	14,46	12,32
BC	11,12	11,81	20,86	9,24	9,72	20,87	20,41
Cca	23,57	13,12	26,99	26,36	15,89	23,27	19,25

Рис. 1. Профильное распределение валовых форм цинка в почвах естественного сложения (черноземы миграционно-сегрегационные)

Рис. 2. Профильное распределение валовых форм свинца в почвах естественного сложения (черноземы миграционно-сегрегационные)

Таким образом, распределение ТМ по профилям почв естественного сложения проявляет стабильные закономерности, суммарный показатель загрязнения Zc по исследованным ТМ находится в пределах 1,1-5,1, что по оценочной шкале опасности [8] относит эти почвы к категории допустимого уровня загрязнения (Zc < 16).

Несколько иным образом проявляет себя профильное распределение элементов в почвах урбанизированных территорий при наличии в профиле горизонтов урбик различного происхождения и мощности.Характер распределения никеля (табл. 4) в погребенных горизонтах почв, подвергшихся экранированию, сохранил тенденции профильного распределения естественных почв, включая диапазон значений, причем характер и мощность экранирующих горизонтов практически не оказывают существенного влияния на миграцию никеля по почвенной толще.

Таблица 4. Распределение никеля и меди в профилях антропогенно-преобразованных почв (урбостратоземы экранированные на погребенных черноземах миграционно-сегрегационных)

Ni ОДК с учетом фона (кларка) 80 мг/кг [7] / Фоновое содержание 45 мг/кг [1]
Урбостратоземы экранированные на погребенных черноземах миграционно-сегрегационных
1	2	3	4	5	6	7	8
Горизонт / Разрез	1201	1202	1204	1404	1405	1501	1503
UR1						50,79
UR2						53,53
UR3	44,91		49,09	55,14		51,45
UR4	44,35	46,67	60,43	55,16	57,02	51,86	52,97
A погр.	45,94	45,30	61,57	58,54	63,76	59,90	59,78

1	2	3	4	5	6	7	8
B1	50,78	50,97	67,46	56,61	58,10	62,17	48,15
В2	46,85	43,97	59,50	50,57	55,10	65,65	48,71
ВС	39,89	42,98	55,47	50,64	54,68	59,18	43,53
Сса	43,30	38,90	51,19	51,32	53,59	56,58	42,33
Cu ОДК с учетом фона (кларка) 132 мг/кг [7] / Фоновое содержание 30 мг/кг [1]
Урбостратоземы экранированные на погребенных черноземах миграционно-сегрегационных
Горизонт / Разрез	1201	1202	1204	1404	1405	1501	1503
UR1			25,84			51,11
UR2			21,21	6,00		51,59
UR3	43,26		49,32	45,22		51,67	49,16
UR4	43,87	44,26	54,02	43,48	52,72	45,82	55,97
A погр.	40,68	42,02	54,84	46,81	54,46	53,62	48,26
B1	44,03	45,39	57,65	51,49	54,71	56,36	51,65
В2	51,04	46,15	59,43	54,13	55,34	59,15	50,69
ВС	43,91	46,97	60,35	54,04	54,78	55,61	47,90
Сса	48,99	46,44	58,69	53,31	57,26	58,53	56,08

В ряде случаев антропогенно-преобразованные почвы демонстрируют небольшое снижение концентрации меди по профилю (экранированные урбостратоземы – разрезы 1201 и 1202). Связано это может быть с тем, что данные разрезы заложены в зоне одноэтажной частной застройки, запечатывание почвенного покрова происходило в период минимальной транспортной и индустриальной нагрузки, что позволило почвам унаследовать низкий уровень содержания этого элемента. По валовым формам свинца и цинка лишь в трех образцах исследованных горизонтов урбик наблюдалось двукратное превышение уровня ОДК (табл. 5), эти горизонты имеют неестественное для почв сложение и представляют собой скорее многокомпонентную смесь строительного мусора, угольного шлама, остатков дорожного покрытия и т.п. Являясь потенциальными источниками миграционного загрязнения для погребенных горизонтов, урбогоризонты, однако, проявляют некоторые барьерные свойства, и, несмотря на высокие концентрации тяжелых металлов в этих слоях, нижележащие горизонты демонстрируют лишь крайне незначительное превышение содержания по сравнению с почвами естественного сложения (рис. 3, 4). Имеющиеся в горизонтах урбик превышения величин ОДК по цинку и свинцу при суммарных расчетах нивелируются до величины суммарного коэффициента загрязнения Zc < 16.

Таблица 5. Распределение цинка и свинца в профилях антропогенно-преобразованных почв (урбостратоземы экранированные на погребенных черноземах миграционно-сегрегационных)

Zn ОДК с учетом фона (кларка) 220 мг/кг [7] / Фоновое содержание 65 мг/кг [1]
Урбостратоземы экранированные на погребенных черноземах миграционно-сегрегационных
Горизонт / Разрез	1201	1202	1204	1404	1405	1501	1503
UR1			62,36			135,89
UR2			0,30	20,43		156,11
UR3	93,26		416,55	72,06		163,40	112,78
UR4	66,85	80,65	98,74	71,47	124,08	83,60	69,78
A погр.	64,37	62,45	79,43	94,55	85,14	74,85	77,06
B1	64,50	62,74	82,08	77,95	83,21	80,28	62,74
В2	64,51	62,48	77,09	75,05	76,46	82,31	62,63
ВС	61,71	60,56	73,63	74,87	75,43	76,56	59,15
Сса	64,58	61,32	76,35	108,19	75,80	104,91	64,69
Pb ОДК с учетом фона (кларка) 130 мг/кг [7, 8] / Фоновое содержание 20 мг/кг [1]
Урбостратоземы экранированные на погребенных черноземах миграционно-сегрегационных
Горизонт / Разрез	1201	1202	1204	1404	1405	1501	1503
UR1			3,72			101,21
UR2			0,34			171,09
UR3	22,40		240,11	21,37		262,74	34,46
UR4	15,21	39,16	40,77	19,63	20,52	41,69	1,28
A погр.	31,71	31,52	34,07	6,53	12,56	31,43	4,26
B1	10,25	18,09	37,00	8,58	1,97	30,23	5,58
В2	8,85	4,66	20,37	9,72	18,42	27,95	14,22
ВС	15,93	5,32	25,68	32,17	17,97	22,92	18,97
Сса	34,09	12,58	30,90	39,34	31,13	30,08	28,66

Рис. 3. Профильное распределение валовых форм цинка в антропогенно-преобразованных почвах (урбостратоземы экранированные на погребенных черноземах миграционно-сегрегационных)

Рис. 4. Профильное распределение валовых форм свинца в антропогенно-преобразованных почвах (урбостратоземы экранированные на погребенных черноземах миграционно-сегрегационных)

Выводы: сравнение полученных данных по валовому содержанию ТМ с величинами ОДК и фоновыми концентрациями элементов показало, что валовое содержание никеля, меди и цинка превышает фон в 1,2-2 раза, профильное распределение свинца хоть и отличается колебанием, однако находится в рамках фонового диапазона. Превышения уровня ОДК или даже приближения к нему не зафиксировано ни в одном из образцов почв естественного сложения (черноземов миграционносегрегационных), и не отмечено в погребенных горизонтах экранированных почв, что свидетельствует об удовлетворительном состоянии почвенного покрова. По степени загрязнения почвы Ростовской агломерации в целом относятся к слабозагрязнен-ным, так как содержат загрязняющие элементы в количествах, не превышающих ПДК (ОДК), но выше уровня регионального фона [2]. По уровню неблагоприятного воздействия на здоровье населения почвы исследуемых территорий также относятся к категории с допустимым загрязнением, так как величины суммарного показателя загрязнения Zc находятся в диапазоне 0,7-10,8. Профильное распределение изученных элементов определяется как особенностями самого металла, так и наличием, а также удаленностью от внешнего источника его поступления в почву.

Исследование выполнено в рамках проекта № 213.01-2015/002ВГ базовой части внутреннего гранта ЮФУ с использованием оборудования ЦКП «Биотехнология, биомедицина и экологический мониторинг» и ЦКП "Высокие технологии" Южного федерального университета

Список литературы Содержание и профильное распределение валовых форм тяжелых металлов в почвах урбанизированных территорий юга России

Акимцев, В.В. Содержание микроэлементов в почвах Ростовской области/В.В. Акимцев, А.В. Болдырева, С.Н. Голубев и др.//Микроэлементы и естественная радиоактивность: мат-лы 3-го межвуз. совещ. 6-9 декабря 1961 года. -Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета, 1962. С. 38-41.
Алексеев, Ю.В. Тяжелые металлы в агроландшафте. -СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2008. 216 с.
Алексеенко, В.А. Металлы в окружающей среде. Почвы геохимических ландшафтов Ростовской области/В.А. Алексеенко, А.В. Суворинов, В.Ан. Алексеенко, А.Б. Бофанова. -М.: Логос, 2002. 312 с.
Виноградов, А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. -М., 1957. 276 с.
Водяницкий, Ю.Н. Загрязнение почв тяжелыми металлами/Ю.Н. Водяницкий, Д.В. Ладонин, А.Т. Савичев. -М., 2012. 305 с.
ГН 2.1.7.2014-06 Гигиенические нормативы. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве
ГН 2.1.7.2511-09 Гигиенические нормативы. Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве
МУ 2.1.7.730-99 Методические указания. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест. -М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 1999. 38 с.
Прокофьева, Т.В. Введение почв и почвоподобных образований городских территорий в классификацию почв России/Т.В. Прокофьева, М.И. Герасимова, О.С. Безуглова и др.//Почвоведение. 2014. № 10. С.1155-1164.
ФР.1.31.2011.09286 (М-049-П/10) Методика выполнения измерений массовой доли металлов и оксидов металлов в порошковых пробах почв рентгенофлуоресцентным методом.

Еще

Статья научная