Эколого-геохимические особенности почв разных функциональных зон города Новокуйбышевска

Полный текст

Прогрессивное развитие предприятий нефтеперерабатывающего комплекса во многих странах мира сопряжено с экологическими проблемами, существенную долю которых составляет техногенное загрязнение природной среды. В городах с доминированием нефтеперерабатывающей промышленности нефть, нефтепродукты, тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязнителям. В таких городах возникает угроза необратимой трансформации условий функционирования природных систем и вызванное этим снижение качества жизни городского населения. В частности, глубокие негативные изменения происходят в составе атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, геологической среды, почвенного покрова, состояния биоты [1]. Процессы урбанизации приводят к формированию особых природно-антропогенных комплексов, для которых характерно специфическое взаимодействие всех природных и антропогенных компонентов окружающей среды. Почва, являясь базовой составляющей этих комплексов, вносит существенный вклад в формирование общей экологической обстановки города. Среди экологических функций, выполняемых городскими почвами, одной из важнейших является функция сорбционно-химического барьера для многих поллютантов, включая тяжелые металлы, нефтепродукты, пестициды [2]. Их аккумуляция в количествах, превышающих допустимые уровни, наносит большой ущерб плодородию почвы, приводит к необратимым изменениям ее морфологических, физических, физико-химических и биологических свойств [3]. Процесс восстановления нарушенных земель после воздействия на них техногенных токсикантов в естественных условиях может занимать десятки лет [4].

С позиций общей экологии очень важным является понимание того, что почва – главный компонент большинства наземных экосистем, в том числе и урбоэкосистем, служащий естественной средой для протекания всевозможных физических, химических и биологических процессов. В условиях антропогенного влияния почвенный покров служит барьером и хранилищем токсичных веществ, которые в дальнейшем по пищевым цепям могут проникать в организм человека в биогеохимических системах атмосфера-почва-растения-человек или атмосфера-почва-растения-животные-человек [5].

Влияние химических веществ антропогенной природы, поступающих в почву, в том числе и в процессе работы нефтеперерабатывающих предприятий, постоянно возрастает, а негативные последствия проявляются не только на региональном, но и на глобальном уровне. Поэтому регулярный мониторинг содержания поллютантов в почвенном покрове, а также комплексные исследования техногенной трансформации городских почв могут дать точный прогноз изменения состояния урбоэкосистем, что в дальнейшем может быть использовано в планировании мероприятий по улучшению экологической ситуации в городах с нефтеперерабатывающей спецификой производства [1]. Эти обстоятельства определяют актуальность исследований, выполненных на территории г. Новокуйбышевска, где основную градообразующую функцию выполняют нефтеперерабатывающие предприятия.

Городской округ Новокуйбышевск, получивший статус города в 1952 году и к настоящему времени имеющий численность населения около 106 тыс. человек, входит в число новых городов, созданных в нашей стране после Великой Отечественной войны. За небольшой период времени он стал крупным территориально-производственным комплексом Куйбышевской (ныне Самарской) области, специализирующимся на нефтепереработке, долгое время удерживающим статус одного из крупнейших не только в СССР, но и в Европе. В настоящее время г. Новокуйбышевск остается ярким представителем городов с высокоразвитой современной нефтеперерабатывающей промышленностью. Наибольший удельные вес в структуре производственного потенциала города занимают предприятия топливной и нефтехимической сферы, что во многом определяет его экологические особенности [6].

Город Новокуйбышевск расположен на территории Самарской области в пределах террасированных равнин Низменного Заволжья на левом берегу р. Волги, в 20 км от областного центра (г. Самары) и в 6 км от Саратовского водохранилища (с.ш. 53°06′, в.д. 49°55'). Общая площадь города составляет 263,25 км², без принадлежащих ему сельхозугодий и рекреационных территорий она равна 52 км², из которых 40 км² приходится на промышленную зону [7; 8].

По почвенному районированию территория г. Новокуйбышевска относится к Северному Приволжскому почвенному району с преобладанием черноземов обыкновенных и черноземов обыкновенных остаточно-луговатых с участием аллювиальных дерновых насыщенных почв. В границах г. Новокуйбышевска водораздельные поверхности, пологие склоны и хорошо дренируемые участки, а также пониженные участки речных долин покрыты черноземами нормального ряда. Понижения террас заняты лугово-черноземными почвами, встречаются почвы солонцового ряда. Для глубоких бессточных понижений террас и поймы характерны лугово-болотные почвы. Пойменные участки рек Кривуши, Татьянки, Свинухи, Сухой Самарки с аллювиальными почвами регулярно затапливаются, в результате чего ежегодно происходит отложение свежего аллювия. Для элювиальных и трансэлювиальных ландшафтов водораздельных поверхностей и склонов свойственны окислительная нейтральная и слабощелочная обстановка с минимальной интенсивностью миграции большинства микроэлементов. В почвенном покрове преобладает биогенное накопление элементов [7; 9; 10].

Для оценки современного эколого-геохимического состояния почвенного покрова г. Новокуйбышевска в августе 2016 г. были осуществлены полевые исследования и отбор почвенных образцов для лабораторного анализа на восьми пробных площадях. Семь пробных площадей были заложены в пределах городской черты, а восьмая пробная площадь находилась в его зеленой зоне и служила фоном (контролем).

Две пробные площади были заложены в крупнейшем парке города «Дубки» и располагались в его центральной части в низине (пр. пл. 1) и на возвышенном участке (пр. пл. 2). Пробные площади 3 и 4 заложили в жилых районах города: пр. пл. 3 в старом жилом районе по ул. Кирова, а пр. пл. 4 – в новом жилом районе по ул. Островского. Пробная площадь 5 была заложена на перекрестке пр. Победы и ул. Дзержинского возле автотранспортного кольца. Пробная площадь 6 располагалась в сквере «Елочки» на въезде в селитебную зону города возле одного из стационарных пунктов лаборатории по мониторингу загрязнения окружающей среды (ЛМЗС). Пробная площадь 7 была заложена возле внешнего периметра промзоны. Фоновая пробная площадь 8 располагалась в 10 км к югу от городской черты в зеленой зоне (рис. 1).

 

Рисунок 1 – Картосхема размещения изучаемых пробных площадей

 

Подготовка почвенных образцов к лабораторному анализу осуществлялась по общепринятым в почвоведении и геохимии методикам. Определение загрязняющих веществ проводилось по методикам, утвержденным для Общегосударственной системы наблюдений за загрязнением природной среды (ОГСН) и вошедшим в «Федеральный перечень методик выполнения измерений, допущенных к применению при выполнении работ в области мониторинга загрязнения окружающей среды» [11]. Измерения осуществлялись с использованием оборудования, прошедшего своевременную поверку и калибровку.

Количественное содержание Ni, Zn, Cu, Pb, Cd, Mn в почвенном покрове выявляли по методике выполнения измерений массовой доли кислоторастворимых форм тяжелых металлов и токсичных элементов в почвах, грунтах, донных отложениях, осадках сточных вод методом инверсионной вольтамперометрии [12], определение нефтепродуктов – по ПНД Ф 16.1.41–04 [13]. Показатели pH почвенного раствора определяли потенциометрически из солевой вытяжки.

Достоверность результатов и их воспроизводимость в ходе проведения анализов оценивается в соответствии с методическими указаниями РД 52.18.103–86 [14] и рекомендациями Госстандарта России МИ 2335–2003 УНИИМ [15]. Результаты исследований представлены на рис. 2 и 3 и в табл. 1.

 

Рисунок 2 – Пространственная динамика показателя pH почв разных функциональных зон г. Новокуйбышевска

 

Рисунок 3 – Среднее содержание нефтепродуктов в почвах разных функциональных зон г. Новокуйбышевска

 

Таблица 1 – Среднее содержание тяжелых металлов в почвенном покрове разных функциональных зон г. Новокуйбышевска, их ПДК (ОДК) [28] и региональный фон [29], мг/кг воздушно-сухой почвы

Пробные площади	Ni	Zn	Cu	Pb	Cd	Mn
Пр. пл. 1	39,0	200,0	53,0	14,0	0,8	416,0
Пр. пл. 2	43,0	140,0	69,0	7,0	0,6	418,0
Пр. пл. 3	37,0	118,0	85,0	32,0	1,0	415,0
Пр. пл. 4	51,0	213,0	102,0	21,0	0,4	372,0
Пр. пл. 5	84,0	185,0	104,0	24,0	1,9	490,0
Пр. пл. 6	23,0	69,0	74,0	12,0	0,9	396,0
Пр. пл. 7	21,0	202,0	34,0	59,0	0,7	392,0
Пр. пл. 8 (контроль)	69,6	42,2	32,4	13,1	<0,05	15,8
Региональный фон	29,2	71,6	28,0	11,9	< 2,0	672,1
ПДК/ОДК*	85,0	100,0	55,0	30,0	2,0*	1500,0

 

Фактором, во многом определяющим миграцию тяжелых металлов в ландшафтах, а также существенно влияющим на активность почвенных микроорганизмов, является величина pH почвенного раствора. В условиях города этот показатель чаще всего смещается в щелочную сторону, но в пределах городской черты г. Новокуйбышевска для всех пробных площадей в августе 2016 года он был слабокислым или нейтральным, что может объясняться избытком продуктов кислой природы, поступающим от всех техногенных источников, включая промышленные предприятия и автотранспорт. Только фоновые почвы демонстрировали очень слабое защелачивание (рис. 2).

Слабокислая среда может способствовать усилению миграционных процессов в почвенном покрове города для тяжелых металлов, а также усиливать их биоаккумуляцию растениями, почвенными животными и микроорганизмами [16–18].

Анализ загрязненности почвенного покрова г. Новокуйбышевска нефтепродуктами выявил вполне ожидаемую ситуацию (рис. 3). На общем фоне, в целом не превышающем ПДК, минимальными показателями (от 50 до 180 мг/кг) отличались контрольная пробная площадь, парк «Дубки», сквер «Елочки» и старая жилая зона по ул. Кирова. Средний уровень содержания нефтепродуктов был выявлен в почвах новой жилой зоны по ул. Островского и возле автотранспортного кольца на пр. Победы (340–420 мг/кг). Максимальная концентрация нефтепродуктов установлена в почвогрунтах промышленной зоны (860 мг/кг).

Исходной предпосылкой всех форм миграции химических элементов являются их свойства и почвенно-геохимические условия. К настоящему времени достаточно хорошо изучены геохимические особенности тяжелых металлов и факторы, способствующие их аккумуляции в почвах [19–22]. В частности, выявлено сходство поведения в природных ландшафтах геохимических аналогов Zn и Cd, Pb и Cu, что для первой пары обусловлено превалирующим влиянием строения валентных электронных орбиталей, а для второй пары – сродства к органическому веществу [23]. Отмечается также роль гранулометрического состава, высокого содержания стабильных высокомолекулярных компонентов гумуса и щелочной реакции почвенного раствора в процессах накопления тяжелых металлов почвами [24].

В условиях городской среды основные природные свойства почв существенно трансформируются, что оказывает определяющее влияние на процессы миграции и аккумуляции тяжелых металлов [25]. В г. Новокуйбышевске важнейшими источниками их поступления в почвенный покров являются промышленные предприятия, в основном специализирующиеся на нефтепереработке, автотранспорт, ТЭЦ и региональный перенос загрязняющих веществ.

Основным сырьем для промышленных предприятий города являются нефть и нефтепродукты. Известно, что сырая нефть и битумы могут содержать до 50 химических элементов. Среди них Al, Mg, Ca, Na, K и другие литофильные и рассеянные элементы. Среди рассеянных элементов выделяются V, Ni, Zn, Mo, Se, Sb, As, Cd, Cu, Cr, Pb, Co, Sn, Zr, в малых количествах Ag, Ga [26; 27]. В данной работе анализируются элементы, значимо присутствующие в региональных потоках загрязнения (табл. 1).

В табл. 1 представлены средние показатели содержания анализируемых тяжелых металлов в почвах изучаемых пробных площадей, а также ПДК, ОДК и региональные фоновые концентрации этих элементов.

Региональный фоновый уровень содержания Ni в почвах равен 29,2 мг/кг воздушно сухой почвы. ПДК валовой формы Ni для почв составляет 85,0 мг/кг. В г. Новокуйбышевске близкое к ПДК содержание Ni характерно только для почв автотранспортного кольца на пр. Победы. Региональный фоновый показатель превышен на большинстве пробных площадей, кроме сквера «Елочки» и промзоны. Обращает на себя внимание достаточно высокая концентрация Ni в фоновых (контрольных) почвах (69,6 мг/кг), поэтому почвы почти всех городских пробных площадей уступают этому показателю, за исключением почв автотранспортного кольца на пр. Победы. Все выявленные показатели содержания Ni в почвах г. Новокуйбышевска не достигают уровня фитотоксичности (100 мг/кг) [30].

Среди анализируемых химических элементов явно выделяются Zn и Cu, концентрация которых на всех городских пробных площадях в 1,5–5 раз выше контроля. Почти на всех пробных площадях, кроме сквера «Елочки», содержание Zn выше регионального фона в 1,5–3 раза, в 2 раза выше ПДК и находится в пределах показателей фитотоксичности (70–400 мг/кг) [30]. Достаточно высокие концентрации Zn на большей части территории г. Новокуйбышевска, включая его промзону, могут объясняться естественным наличием этого элемента в составе сырой нефти, а также его использованием для промотирования каталитических цеолитов при получении ароматических углеводородов из нефти [31].

Содержание Cu в почвенном покрове Самарской области имеет свои региональные особенности, заключающиеся в повышенном ее содержании в почвах и растениях. Так, региональный фоновый уровень содержания Cu равен 28,0 мг/кг (для 80% территории), а среднее содержание – 55,0 мг/кг [32]. Фоновые для территории г. Новокуйбышевска почвы (пр. пл. 8) содержат Cu на уровне регионального фона, почвы всех городских функциональных зон, кроме промзоны, накапливают этот элемент выше контроля и регионального фона в 2–4 раза (табл. 1). ПДК валовой формы Cu незначительно превышены в почвах парка «Дубки» и сквера «Елочки», более значимо – в жилых зонах и возле автотранспортного кольца на пр. Победы. Возможно, обогащение городских почв Cu в большей степени связано с выбросами автотранспорта, чем с влиянием промышленных предприятий, но известно, что она используется в качестве катализатора при синтезе многих продуктов на основе нефти и содержится в сырой нефти. В почвах большинства изученных пробных площадей содержание Cu достигает уровня фитотоксичности (60–125 мг/кг) [30].

Исследования выявили относительно низкий уровень содержания Pb в почвах г. Новокуйбышевска, близкий к контролю и региональному фону (парк «Дубки», сквер «Елочки»), а также несколько превышающие эти показатели (новый жилой район на ул. Островского и участок возле автотранспортного кольца на пр. Победы). Его содержание достигает и почти в 2 раза превышает ПДК соответственно в старом жилом массиве на ул. Кирова (32,0 мг/кг) и в промзоне (59 мг/кг). Отсутствие запредельно высоких концентраций Pb в почвах г. Новокуйбышевска и его промзоны, очевидно, объясняется запретом использования тетраэтилсвинца при получении бензина, а ранее накопленный Pb за период со времени этого запрета (с 15 ноября 2002 г.) подвергся активному рассеянию в природных средах города [33]. Уровень фитотоксичности по Pb в почвах г. Новокуйбышевска не достигнут [30].

Известно, что Cd, наряду с другими тяжелыми металлами, входит в состав сырой нефти и катализаторов для риформинга бензиновых фракций нефти. Точный региональный фоновый уровень содержания Cd не установлен, известно только, что он не превышает 2,0 мг/кг [29]. ПДК Cd для почв равна 2,0 мг/кг. Почвы всех исследованных территорий г. Новокуйбышевска, а также контроль не превышают этих показателей. Наиболее близок к ним уровень содержания Cd в почвах участка возле автотранспортного кольца на пр. Победы (1,9 мг/кг). На остальных пробных площадях этот показатель варьирует от 0,4 мг/кг в новом жилом районе на ул. Островского до 1,0 мг/кг – в старой жилой зоне на ул. Кирова. В почвах промзоны содержание Cd равно 0,7 мг/кг. Уровень фитотоксичности по Cd в почвах г. Новокуйбышевска не достигнут [30].

Региональный фоновый показатель содержания Mn равен 672,1 мг/кг, ПДК его валовой формы составляет 1500 мг/кг. Среднее содержание Mn в почвах мира равно 850 мг/кг. На этом фоне обращает на себя внимание чрезвычайное низкое содержание Mn в почвах фонового (контрольного) участка – 15,8 мг/кг. Даже для подвижной формы это слишком низкий показатель. В условиях города разрушается органическая часть почвы, снижается содержание гумуса, что может вызывать падение концентрации Mn, существенная доля которого в почвах связана с гумусом и илистой фракцией. Снижению содержания Mn в почвах г. Новокуйбышевска может способствовать слабокислая и нейтральная реакция почвенного раствора, в таких условиях Mn достаточно подвижен, что усиливает его миграцию из ландшафтов. В целом Mn в почвенном покрове г. Новокуйбышевска распределяется равномерно и варьирует в пределах 372,0–490,0 мг/кг. Минимальный показатель выявлен в почвах новой жилой зоны на ул. Островского, а максимальный – на участке возле автотранспортного кольца на пр. Победы.

Таким образом, почвенный покров разных функциональных зон г. Новокуйбышевска в августе 2016 г. характеризовался слабокислой или нейтральной реакцией почвенного раствора, в основном средним и низким содержанием нефтепродуктов с максимумом в почвах промзоны, относительно умеренным содержанием тяжелых металлов, среди которых более высокими концентрациями по сравнению с фоном характеризовались Zn и Cu. Анализ пространственного распределения тяжелых металлов показал, что основным их источником в почвах города является автотранспорт, связь с нефтеперерабатывающим производством выявлена для Zn, Pb и нефтепродуктов.

Об авторах

Александр Игоревич Старцев

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Email: a.i.startsev@ya.ru

аспирант кафедры экологии, ботаники и охраны природы

Россия, г. Самара

Наталья Владимировна Прохорова

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Автор, ответственный за переписку.
Email: natali.prokhorova.55@mail.ru

профессор кафедры экологии, ботаники и охраны природы

Россия, г. Самара

Список литературы

Дополнительные файлы