Contents of heavy metals in the soil cover in the conditions of technogenesis

Full Text

Основной причиной ухудшения состояния урбанизированных территорий является техногенное воздействие. Самарская область является важным промышленным регионом, для которого проблема загрязнения окружающей среды является весьма актуальной. Выбросы промышленных предприятий, энергетика, сжигание отходов, минеральные удобрения, сточные воды, железнодорожный и автомобильный транспорт являются основными источниками поступления в почвенный покров загрязнителей, в том числе и целого комплекса тяжелых металлов, считающихся наиболее токсичными из поллютантов.

В сложившихся условиях все возрастающей антропогенной нагрузки на природную среду происходит резкий рост уровня её загрязнения и все большую роль в этом оказывает развитие транспортных коммуникаций и в частности железная дорога [1, 2, 3, 4, 5]. Их влияние на компоненты природы многоаспектно, среди которых значимым и опасным является загрязнение тяжелыми металлами. Их миграция и накопление в компонентах экосистем зависят как от ряда природных факторов, так и от интенсивности и характера техногенеза. Железнодорожная дорога является линейно сложным, системно работающим технико-технологическим комплексом, имеющим в своем составе путевое хозяйство, подвижной состав, ряд производств, объединенных функцией перевозки пассажиров и грузов [6].

Опасность загрязнения почв тяжелыми металлами прилегающих к железнодорожному пути опасна тем, что зачастую вблизи располагаются земли сельскохозяйственного назначения и жилые строения. Почвы в отводах железных дорог отличны от естественных по водно-физическим свойствам и химическому составу. Они переуплотнены, почвенные горизонты перемешаны с бытовыми отходами, веществами и материалами, перевозимыми по ним. Большая часть поллютантов поступает в почвы при транспортировке, вследствие рассыпания или утечки перевозимых грузов; от выхлопных газов двигателей тепловозов и отоплении вагонов углем; при истирании ходовой части и рельсов; от химического состава балластного слоя и земляного полотна; применения веществ для борьбы с сорняками, содержащих тяжелые металлы. Можно достоверно утверждать, что при эксплуатации все типы вагонов оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду. Например, общее количество потерь при перевозках минеральных удобрений насыпью в крытых вагонах составляет до 8%, а при перевозках в полувагонах до 28%. При перевозках в универсальных вагонах ежегодно теряется до 7% руды и 3% цемента [1, 7].

На характер распространения тяжелых металлов в сторону от железнодорожного полотна играют роль как естественные, так и искусственные барьеры. К естественным барьерам относятся лесополосы, а к искусственным – наличие цельных ограждений. Так в ряде работ установлено, что если вблизи железнодорожного полотна находится искусственный барьер, то концентрация веществ резко возрастает перед ним и также резко снижается, практически доходя до естественного уровня за ним. Если же вблизи полотна располагается естественный барьер, то концентрация веществ резко возрастает в передовой части насаждений, но снижается более плавно по мере продвижения вглубь лесополосы. Эта зависимость возникает поскольку различные виды древесно-кустарниковых и травянистых растений обладают аккумулирующей способностью к тяжёлым металлам [8, 9, 10], но особую роль конечно же играет почва: ее тип, физико-химический состав и свойства и т.д. [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]. Это позволяет извлекать данные элементы из круговорота веществ, что способствует снижению уровня загрязнения окружающей среды. Пригородные леса как лесополосы так же являются подобным барьером, аккумулируя значительные количества тяжёлых металлов и существенно уменьшая их концентрацию в почвах [12]. Изучение накопления тяжелых металлов в растениях в целом имеет большое значение, как для оценки состояния растений, так и для биосферы в целом в плане понимания процессов круговорота веществ, а также для научной и практической работы по экологическому мониторингу.

Целью наших исследований явилось изучение содержания тяжёлых металлов в почвах различных районов, подвергающихся техногенному воздействию (участки Куйбышевской железной дороги, городские парки, пригородные леса г. Самары). Количественная оценка пространственного распределения тяжёлых металлов в почвах выбранных участков является важным аспектом и представляет интерес для эколого-геохимических исследований.

Изучение содержания тяжелых металлов проводилось на участке Куйбышевской железной дороги направления Самара-Сызрань в почвах полосы отвода, а так же в пригородных лесах и городских парках г. Самары (Ботанический сад, Загородный парк). Данные территории являются участками, подвергающимися значительному техногенному воздействию.

В ходе исследования были заложены пробные площади, на которых проводился отбор образцов почв по общепринятым методикам [1, 9, 19]. Почвенные пробы доводились до воздушно-сухого состояния, измельчались, просеивались через сито диаметром 1 мм, из них отбирались навески массой по 20 г и помещались в маркированные пакеты. Результаты исследования образцов были получены в дорожной экологической лаборатории Куйбышевской железной дороги. Определение содержания тяжёлых металлов в почвах осуществлялось рентген флуоресцентным методом на спектрометре М-049-П/10. Полученные значения сравнивались с нормативными данными – ПДК и региональным фоновым уровнем [20, 21, 22, 23].

При проведении количественного анализа исследуемых образцов почв на наличие тяжёлых металлов выявлено, что во всех образцах содержатся марганец, железо, медь, хром, никель, цинк, свинец, кобальт, титан, ванадий, стронций.

Марганец. Кларк марганца в почвах составляет 850 мг/кг. ПДК – 1500 мг/кг [20]. Региональный фоновый уровень для изучаемых почв – 687,7 мг/кг [13]. Средняя концентрация марганца в почвах полосы изучаемого нами участка железной дороги составляет 683,6 мг/кг. Сравнительный анализ содержания марганца в почвах полосы отвода железных дорог с региональным фоновым уровнем и ПДК показывает незначительное превышение содержания марганца в отводах железных дорог по сравнению с региональным фоновым уровнем, но не превышающим ПДК. Средняя концентрация металла в почвах городских парков соответствует 681,7 мг/кг, что практически соответствует фоновому уровню и не достигает ПДК.

Железо. Кларк железа в почвах составляет 38000 мг/кг. ПДК не определена. ОДК железа в почвах составляет 40000 мг/кг [21]. Региональный фоновый уровень – 33592 мг/кг [13]. Нами установлено, что средняя концентрация железа в полосе отвода железной дороги составляет 47354,6 мг/кг. Таким образом, содержание железа в почвах полосы отвода железных дорог превышает как ОДК, так и региональный фоновый уровень. Металл накапливается в количестве 17406,9–40703 мг/кг сухой почвы в парках г. Самары и 18584,7–31268,3 мг/кг в пригородных лесах.

Медь. Кларк меди в почвах составляет 20 мг/кг. ПДК – 55 мг/кг [22], региональный фоновый уровень соответствует 39 мг/кг [13]. Средняя концентрация меди в почвах полосы отвода железной дороги составляет 58,2 мг/кг. Сравнивая полученные результаты с региональным фоновым уровнем и ПДК, представленные, мы пришли к выводу, что содержание меди в отводах железных дорог превышает региональный фоновый уровень и выше ПДК. Металл накапливается в количестве 48,8–101,9 мг/кг сухой почвы в городских парках и 48,7–102,8 мг/кг в почвах пригородных лесов. ПДК меди и фоновый уровень превышены на всех участках.

Хром. Кларк хрома в почвах составляет 300 мг/кг. ПДК – 100 мг/кг [23]. Региональный фоновый уровень – 102 мг/кг [13]. Средняя концентрация хрома в почвах изучаемой нами полосы отвода железных дорог составляет 136,4 мг/кг. Следовательно, содержание хрома в почвах полосы отвода железных дорог превышает ПДК и выше регионального фонового уровня. Концентрация металла в почвах городских парков составляет 82,9–128 мг/кг сухой почвы и пригородных лесов – 82–127,5 мг/кг.

Никель. Кларк никеля в почвах составляет 40 мг/кг. ПДК составляет 85 мг/кг [23], региональный фоновый уровень – 28,6 мг/кг [13]. По результатам проведенных исследований выявлено, что никель в почвах содержится в пределах 32,4–60,6 мг/кг (пригородные леса) и 34,9–75 мг/кг (городские парки). Полученные данные свидетельствуют, что содержание металла в почвах на всех участках не достигает значения ПДК, но превышает региональный фоновый уровень примерно в 1,3–2,6 раза.

Цинк. Кларк цинка в почвах составляет 50 мг/кг. ПДК – 100 мг/кг [23]. Региональный фоновый уровень – 75,5 мг/кг [13]. При изучении содержания цинка в почвах пригородных лесов выявлено, что металл содержится в количестве 68,2 мг/кг. Средняя концентрация металла в городских парках – 83,2 мг/кг.

Свинец. Кларк свинца в почвах составляет 10 мг/кг. ПДК – 30 мг/кг [23]. Региональный фоновый уровень – 11,2 мг/кг [13]. Свинец на исследуемых участках накапливается в количестве 1,9–23,1 мг/кг (пригородные леса) и 4–20,8 мг/кг сухой почвы (городские парки).

Кобальт. Кларк кобальта в почвах составляет 10 мг/кг. ПДК кобальта в почве составляет – 50 мг/кг [23]. Региональный фоновый уровень – 12,4 мг/кг [13]. В почвах металл отмечен только в Загородном парке. Его содержание в почве не превышает значений ПДК и регионального фонового уровня.

Титан. ПДК титана в почвах составляет 5000 мг/кг [23], региональный фоновый уровень для изучаемых типов почв – 4800 мг/кг [13]. Металл накапливается в почвах исследуемых участков в количестве 2117–3400,5 мг/кг (пригородные леса) и 1727,8–3299,4 мг/кг сухой почвы (городские парки). Содержание элемента не превышает значений регионального фонового уровня и ПДК.

Ванадий. ПДК ванадия в почвах составляет 150 мг/кг [23]. Региональный фоновый уровень – 77 мг/кг [13]. Установлено, что металл концентрируется в пределах 33,5–70,4 мг/кг (пригородные леса) и 40,7–71,4 мг/кг (городские парки) сухой почвы, что ниже значений ПДК и регионального фонового уровня.

Стронций. Кларк стронция в почвах составляет 200 мг/кг. ПДК не установлена. Региональный фоновый уровень – 171,9 мг/кг [13]. Содержание стронция в почвах исследуемых участков составляет от 86,9 мг/кг до 150,3 мг/кг и не превышает значений регионального фонового уровня.

Таким образом, основные элементы, которые присутствуют в техногенных потоках загрязнения – медь, никель, хром, цинк и свинец (табл. 1).

Наблюдается значительное превышение фоновых значений по меди и никелю. В меньшей степени загрязняют среду ванадий, стронций и титан. Наличие марганца, железа, никеля, цинка и свинца не превышает ПДК, но выше регионального фонового уровня. Превышение кларков железа и марганца связано с естественным их содержанием в почвах. Количество хрома незначительно превышает пороговые значения. Наиболее сильным загрязнителем является медь.

 

Таблица 1 – Содержание в почвах тяжёлых металлов, присутствующих в потоках загрязнения, мг/кг

Тяжёлые металлы	Содержание элемента в почвах, мг/кг	ПДК, мг/кг	Региональный фоновый уровень, мг/кг	Превышение значений фонового уровня
Cu	74,2	55	28	2,65
Ni	48,9	85	28,6	1,71
Cr	106,9	100	102	1,05
Zn	75,7	100	75,5	1,00
Pb	8,1	30	11,2	0,72

 

Повышенное содержание тяжелых металлов в почвах исследуемых участков связано с загрязнением техногенными потоками. Выяснение территорий, являющихся основными источниками полиметаллического загрязнения, представляет собой важную проблему и требует более детального и глубокого изучения. Полученные материалы могут служить основой для дальнейшего мониторинга в связи с усилением техногенного воздействия.

Концентрация тяжёлых металлов на участках Куйбышевской железной дороги составила в мг/кг воздушно-сухой почвы: Fe = 47354,6 мг/кг; Сu = 58,2 мг/кг; Мn = 683,6 мг/кг; Cr = 136,4 мг/кг. Данные результаты говорят о превышении содержания данных тяжелых металлов в почвах, так как фоновое их значение для Самарской области составляет: Fe = 32003,9 мг/кг; Сu = 34,6 мг/кг; Мn = 554,3 мг/кг; Cr = 122,2 мг/кг. В связи с близким, а подчас и непосредственным расположением сельскохозяйственных земель к железнодорожному полотну особенно важно учитывать загрязнение почв тяжелыми металлами в отводах железных дорог.

Полученные данные позволяют построить элементный ряд накопления тяжёлых металлов по убыванию их концентраций в почвогрунтах исследуемых участков: Fe (25456,4мг/кг) > Ti (2623,6мг/кг) > Mn (692,6мг/кг) > Sr (127,9 мг/кг) > Сr (105,9 мг/кг) > Zn (73,2 мг/кг) > Сu (73,9 мг/кг) > V (51,8 мг/кг) > Ni (48,3 мг/кг) > Pb (8,8 мг/кг).

На всех исследуемых территориях наблюдается превышение фоновых значений по большинству выявленных тяжёлых металлов, за исключением титана, ванадия и стронция. Основными элементами, которые присутствуют в техногенных потоках загрязнения почв г. Самары и его окрестностей являются свинец, цинк, хром, никель и медь.

About the authors

Ivan Victorovich Kazantsev

Samara State University of Social Sciences and Education

Author for correspondence.
Email: kazantsev.ivan@pgsga.ru

candidate of biological sciences, dean of the Faculty of Natural Sciences and Geography

Russian Federation, Samara

Tatyana Borisovna Matveeva

Samara State University of Social Sciences and Education

Email: matabor.7@yandex.ru

candidate of biological sciences, senior lecturer of the Chair of Biology, Ecology and Methods of Teaching

Russian Federation, Samara

References

Supplementary files