Введение

Интенсификация сельского хозяйства, переход к индустриальным методам производства, создание крупных агропромышленных и животноводческих комплексов, широкий размах мелиоративного строительства и химизации сельскохозяйственных угодий в целях устойчивого наращивания продовольственного фонда страны требуют особенно внимательного и бережного отношения к почве, как к средству производства и условий существования. Охрана почв, их рациональное использование имеют первостепенное значение для экономического и социального развития страны. Значение современного состояния почвенных ресурсов, их рациональное использование, бережное отношение к ним послужат приумножению их плодородия[8].

Почва аккумулирует тяжелые металлы, пестициды, углеводороды, детергенты и другие химические загрязняющие вещества, предупреждая тем самым их поступление в природные воды и очищая от них атмосферный воздух.

Одну из приоритетных групп загрязняющих веществ образуют тяжелые металлы, основная масса которых поступает с выбросами индустриальных предприятий в нижние слои тропосферы, вовлекается в аэральную миграцию и осаждается на поверхность почвы. Распределение металлов-загрязнителей в пространстве весьма сложно и зависит от многих факторов, но в любом случае именно почва является главным приемником и аккумулятором техногенных масс тяжелых металлов[3].

Объектом нашего исследования стал почвенный покров различных районов г.Черногорска.

Целью работы является оценка содержания тяжелых металлов в почвенном покрове г.Черногорска Республики Хакасия.

Для реализации цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить данную проблему по доступным литературным источникам;

2. Провести химический анализ почвенного покрова территории г.Черногорска;

3. Проанализировать источники выбросов тяжелых металлов на территории г.Черногорска;

4. Проанализировать степень загрязненности тяжелыми металлами исследуемых районов г.Черногорска.

Данное исследование на территории г. Черногорска проводили в летний период 2008 года в рамках мониторинга почвенного покрова урбанизированных территорий.

1. Обзор литературы

1.1 Общие сведения о загрязнении тяжелыми металлами

Если в области контроля и охраны атмосферного воздуха и природных вод имеются определенные достижения, в том числе создана сеть специальных лабораторий, разработаны методы анализа и ПДК для довольно большого числа веществ и элементов, то в области мониторинга и охраны почв успехи пока незначительны. Между тем именно почвенный покров в конечном итоге принимает на себя давление потока промышленных и коммунальных выбросов и отходов, выполняя важнейшую роль буфера и детоксиканта. Почва аккумулирует тяжелые металлы, пестициды, углеводороды, детергенты и другие химические загрязняющие вещества, предупреждая тем самым их поступление в природные воды и очищая от них атмосферный воздух.

Наибольшей буферной емкостью и способностью снижать негативное влияние загрязняющих веществ на растительные и животные организмы обладают почвы с высоким содержанием гумуса с тяжелым гранулометрическим составом, высокой емкостью поглощения, обогащенные известковыми материалами (карбонатами). К таким почвам относятся наиболее плодородные черноземы, некоторые рендзины, пойменные земли. Это придает почвам естественную устойчивость к воздействию химических загрязняющих веществ и позволяет получать высокие и качественно полноценные урожаи важнейших сельскохозяйственных культур даже в промышленно развитых регионах[6].

К сожалению, природная сопротивляемость почв, их естественная буферность не беспредельны. Согласно подсветам Б. Г. Розанова[10] и других ученых по разным причинам в мире было потеряно около двух миллиардов гектаров сельскохозяйственных почв. Потери земель, вызванные только ирригацией, за последние триста лет составили около ста млн. га, и примерно такая же площадь сейчас занята почвами с пониженной продуктивностью, вследствие засоления. Очень велики потери гумуса, от которого зависят практически все важнейшие свойства почв и их устойчивость к неблагоприятным ситуациям. По-видимому, за период земледельческой культуры почвенный покров утратил до 15% исходного запаса органических веществ. Причем эти негативные явления особенно быстро протекают в последние десятилетия. Так, скорость потерь гумуса за последние пятьдесят лет примерно в два с половиной раза превышала таковую на протяжении последних трехсот лет, а среднеисторическую скорость потерь гумуса - примерно в двадцать четыре раза.

Особенно сильное техногенное давление испытывают почвы в районах расположения крупных промышленных предприятий, больших городов, транспортных артерий. Нередким стало образование техногенных пустынь на территориях, непосредственно примыкающих к промышленным зонам различных предприятий, особенно химической и металлургической промышленности. В ближайшей к предприятию зоне содержание тяжелых металлов часто значительно превышает ПДК. Вследствие суммарного воздействия кислотных дождей и выпадений тяжелых металлов гибнет растительность, поверхность почвы обнажается; незащищенная растительным покровом почва подвергается усиленной эрозии и дефляции, почвенный покров разрушается практически необратимо, и его восстановление требует уже очень крупных материальных и трудовых затрат. При характеристике почв очень трудно использовать широко применяемые при оценке воды, воздуха, продуктов питания и кормов понятия, например, ПДК тех или иных загрязняющих веществ. В числе главных причин - многообразие форм соединений любых элементов и веществ в почвах, от которых зависит доступность этих компонентов растениям и, следовательно, их возможный токсический эффект. Поэтому при разработке принципов и организации почвенно-химического мониторинга приходится учитывать состав почвы, все ее составляющие, обладающие высокой сорбционной способностью, влияние условий на подвижность и доступность химических веществ растениям[10]. Наиболее значительное влияние оказывает кислотность и щелочность почв, окислительно-восстановительный режим, содержание гумуса, легкорастворимые соли.

Сопротивляемость почв химическому загрязнению также зависит от водного режима, водопроницаемости, преобладания нисходящих или восходящих токов влаги и т.п. Эти показатели наряду с уровнем сорбционной способности почв, отражаются на защитных функциях почвы по отношению к гидросфере и атмосфере, влияют на прогрессирующие накопления в почвах химических загрязняющих веществ[7].

Рассматривая проблемы загрязнения, мониторинга и охраны почв, следует остановиться на негативных последствиях применения органических и минеральных удобрений, различных мелиорирующих средств. Простейший случай негативных последствий такого рода связан с уровнем содержания в удобрениях и мелиорантах тяжелых металлов, фторидов и других загрязняющих химических веществ. Специальными исследованиями было показано, что в некоторых регионах опасность загрязнения почв, вод, растений вследствие химизации земледелия может быть более высокой, чем загрязнения за счет выбросов промышленных предприятий.

Загрязнение почв тяжелыми металлами имеет разные источники:

1. отходы металлообрабатывающей промышленности;

2. промышленные выбросы;

3. продукты сгорания топлива;

4. автомобильные выхлопы отработанных газов;

5. средства химизации сельского хозяйства.

Тяжелые металлы попадают в почву вместе с удобрениями, в состав которых они входят как примесь, а также и с биоцидами.

Техногенное поступление металлов в почву, закрепление их в гумусовых горизонтах в почвенном профиле в целом не может быть равномерным. Неравномерность его и контрастность прежде всего связана с плотностью населения. Если считать эту связь пропорциональной, то 37,3% всех металлов будет рассеяно всего, лишь в 2% обитаемой суши[10].

Распределение тяжелых металлов по поверхности почвы определяется многими факторами. Оно зависит от особенностей источников загрязнения, метеорологических особенностей региона, геохимических факторов и ландшафтной обстановке в целом.

Источник загрязнения в целом определяет качество и количество выбрасываемого продукта. При этом степень его рассеивания зависит от высоты выброса. Зона максимального загрязнения распространяется на расстояние, равное 10-40-кратной высоте трубы при высоком и горячем выбросе, 5-20-кратной высоте трубы при низком промышленном выбросе. Длительность нахождения частиц выброса в атмосфере зависит от их массы и физико-химических свойств. Чем тяжелее частицы, тем быстрее они оседают.

Неравномерность техногенного распространения металлов усугубляется неоднородностью геохимической обстановки в природных ландшафтах, В связи с этим, для прогнозирования возможного загрязнения продуктами техногенеза и предотвращения нежелательных последствий деятельности человека необходимо понимание законов геохимии, законов миграции химических элементов в различных природных ландшафтах или геохимической обстановке. Химические элементы и их соединения, попадая в почву, претерпевают ряд превращений, рассеиваются или накапливаются в зависимости от характера геохимических барьеров, свойственных данной территории. Понятие о геохимических барьерах было сформулировано А. И. Перельманом (1961)[10] как участках зоны гипергенеза, на которых изменение условий миграции приводит к накоплению химических элементов. В основу классификации барьеров положены виды миграции элементов. На этом основании А.И. Перельман выделяет четыре типа и несколько классов геохимических барьеров:

1. барьеры для всех элементов, которые биогеохимические перераспределяются и сортируются живыми организмами (кислород, углерод, водород, кальций, калий, азот, кремний, марганец и т.д.);

2. физико-химические барьеры:

1) окислительные - железные или железно-марганцевые (железо, марганец), марганцевые (марганец), серный (сера);

2) восстановительные - сульфидный (железо, цинк, никель, медь, кобальт, свинец, мышьяк и др.) глеевый (ванадий, медь, серебро, селен);

3) сульфатный (барий, кальций, стронций);

4) щелочной (железо, кальций, магний, медь, стронций, никель и др.);

5) кислый (оксид кремния);

6) испарительный (кальций, натрий, магний, сера, фтор и т.д.);

7) адсорбционный (кальций, калий, магний, фосфор, сера, свинец и др.);

8) термодинамический (кальций, сера).

3. механические, барьеры (железо, титан, хром, никель и др.);

4. техногенные барьеры.

Геохимические барьеры существуют не изолированно, а в сочетании друг с другом, образуя сложные комплексы. Они регулируют элементный состав потоков веществ, от них в большей мере зависит функционирование экосистем.

Продукты техногенеза в зависимости от их природы и той ландшафтной обстановки, в которую они попадают, могут либо перерабатываться природными процессами, и не вызывать существенных изменений в природе, либо сохраняться и накапливаться, губительно влияя на все живое.

И тот и другой процесс определяются рядом факторов, анализ которых позволяет судить об уровне биохимической устойчивости ландшафта и прогнозировать характер их изменений в природе под влиянием техногенеза. В автономных ландшафтах развиваются процессы самоочищения от техногенного загрязнения, так как продукты техногенеза рассеиваются поверхностными и внутрипочвенными водами. В аккумулятивных ландшафтах накапливаются и консервируются продукты техногенеза[5].

Следовательно, отрицательное влияние тяжелых металлов зависит, по существу, от их подвижности, т.е. растворимости.

Реакция металлов с гумусовыми веществами включает частично и ионный обмен. Конечно, в почве могут присутствовать и другие формы металлов, которые не участвуют непосредственно в этом равновесии, например, металлы из кристаллической решетки первичных и вторичных минералов, а также металлы из живых организмов и их отмерших остатков.

Тяжелые металлы могут быть внесены или адсорбированы микроорганизмами, которые в свою очередь, способны участвовать в миграции соответствующих металлов.

Дождевые черви и другие организмы могут содействовать миграции тяжелых металлов механическим или биологическим путями, перемешивая почву или включая металлы в свои ткани.

Из всех видов миграции самая важная - миграция в жидкой фазе, потому что большинство металлов попадает в почву в растворимом виде или в виде водной суспензии и фактически все взаимодействия между тяжелыми металлами и жидкими составными частями почвы происходит на границе жидкой и твердой фаз. Тяжелые металлы в почве через трофическую цепь поступают в растения, а затем потребляются животными и человеком. В круговороте тяжелых металлов участвуют различные биологические барьеры, вследствие чего происходит выборочное бионакопление, защищающее живые организмы от избытка этих элементов. Все же деятельность биологических барьеров ограничена, и чаще всего тяжелые металлы концентрируются в почве. Устойчивость почв к загрязнению ими различна в зависимости от буферности[4].

1.2 Характеристика тяжелых металлов

Содержание в почве свинца обычно колеблется от 0,1 до 20 мг/кг. Свинец отрицательно влияет на биологическую деятельность в почве, ингибирует активность ферментов уменьшением интенсивности выделения двуокиси углерода и численности микроорганизмов.

Содержание цинка в почве колеблется от 10 до 800 мг/кг, хотя чаще всего оно составляет 30-50 мг/кг. Накопление избыточного количества цинка отрицательно влияет на большинство почвенных процессов: вызывает изменение физических и физико-химических свойств почвы, снижает биологическую деятельность. Цинк подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, вследствие чего нарушаются процессы образования органического вещества в почвах. Избыток цинка в почвенном покрове затрудняет ферментацию разложения целлюлозы, дыхания, действия уреазы.

Тяжелые металлы, поступая из почвы в растения, передаваясь по цепям питания, оказывают токсическое действие на растения, животных и человека.

Свинец также обладает способностью передаваться по цепям питания, накапливаясь в тканях растений, животных и человека. Доза свинца, равная 100 мг/кг сухого веса корма, считается летальной для животных.

Свинцовая пыль оседает на поверхности почв, адсорбируется органическими веществами, передвигается по профилю с почвенными растворами, но выносится за пределы почвенного профиля в небольших количествах.

Благодаря процессам миграции в условиях кислой среды образуются техногенные аномалии свинца в почвах протяженностью 100 м. Свинец из почв поступает в растения и накапливается в них. В зерне пшеницы и ячменя количество его в 5-8 раз превышает фоновое содержание, в ботве, картофеле - более чем в 20 раз, в клубнях - более чем в 26 раз.

Цинк и медь менее токсичны, чем свинец, но избыточное их количество в отходах металлургической промышленности загрязняет почву и угнетающе действует на рост микроорганизмов, понижает ферментативную активность почв, снижает урожай растений [10].

Следует отметить усиление токсичности тяжелых металлов при их совместном воздействии на живые организмы в почве. Совместное воздействие цинка и кадмия оказывает в несколько раз более сильное ингибирующее действие на микроорганизмы, чем при такой же концентрации каждого элемента в отдельности. Поскольку тяжелые металлы и в продуктах сгорания топлива, и в выбросах металлургической промышленности встречаются обычно в различных сочетаниях, то действие их на природу, окружающую источники загрязнения, бывает более сильным, чем предполагаемое на основании концентрации отдельных элементов. Вблизи предприятий естественные фитоценозы предприятий становятся более однообразными по видовому составу, так как многие виды не выдерживают повышения концентрации тяжелых металлов в почве. Количество видов может сокращаться до 2-3, а иногда до образования моноценозов. В лесных фитоценозах первыми реагируют на загрязнения лишайники и мхи. Наиболее устойчив древесный ярус. Однако длительное или высокоинтенсивное воздействие вызывает в нем сухостойкие явления[10].

1.3 Экологическое нормирование

В основу экологического нормирования положено изучение действия загрязняющих веществ не на отдельные организмы, а на систему в целом. В данном случае предполагается получение оптимальной биопродуктивности при минимальном воздействии на окружающую природную среду. В качестве критерия воздействия предусматривается использовать (Израэль, 1984) показатель предельно-допустимой экологической нагрузки (ПДЭН), т. е. такой уровень нагрузки, при котором сохраняется нормальное функционирование экосистемы.

Нормальное функционирование экосистем в условиях загрязнения предполагает в первую очередь сохранение систем биотрансформации и детоксикации. В качестве оценочных при этом используют следующие показатели: самоочищающая способность почвы, степень концентрирования химического элемента в растении (коэффициент биологического поглощения - КБП), показатель содержания токсиканта в почве и коэффициент концентрации (К_с), равный отношению концентрации ингредиента в загрязненной почве к фоновой концентрации[9].

Критериями экологического нормирования также могут служить экологическая емкость территории, экологически оптимальная биопродуктивность (максимально возможная в конкретных условиях данного района), биологическая продуктивность биогеоценозов, агро- и урбаноценозов с учетом оптимального для данной территории состава растительного и животного мира.

Таблица 1 - Шкала экологического нормирования содержания тяжелых металлов (мг/кг) для геохимической ассоциации почв со слабокислой и кислой реакцией (Обухов, Ефремова, 1991)[10]

Градации	РЬ	Сd	Zn	Сu	Ni	Нg
Уровень содержания
Очень низкий	<5	<0,05	<15	<5	<10	<0,05
Низкий	5 - 10	0,05 - 0,10	15 - 30	5 - 15	10 - 20	0,05 - 0,10
Средний	10 - 35	0,10 - 0,25	30 - 70	15 - 50	20 - 50	0,10 - 0,25
Повышенный	35 - 70	0,25 - 0,50	70 - 100	50 - 80	50 - 70	0,25 - 0,50
Высокий	70 - 100	0,50 - 1,00	100 - 150	80 - 100	70 - 100	0,50 - 1,0
Очень высокий	100 - 150	1 - 2	150 - 200	100 - 150	100 - 150	1 - 2
Уровень загрязнения (ПДК)
Низкий	100 - 150	1 - 2	150 - 200	100 - 150	100 - 150	1 - 2
Средний	150 - 500	2 - 3	200 - 1000	150 - 250	150 - 300	2 - 5
Высокий	500 - 1000	5 - 10	500 - 1000	250 - 500	300 - 600	5 - 10
Очень высокий	>1000	>10	>1000	>500	>600	>10

Экосистемы, отличающиеся высокой и средней степенью устойчивости, характеризуются значительным видовым разнообразием бацилл, отсутствием черноокрашенных актиномицетов группы Niger и фитопатогенных грибов, уравновешенным количеством микробной биомассы. Нарушение устойчивости диагностируется увеличением стерильных форм актиномицетов, появлением значительного количества черноокрашенных микроорганизмов данной группы (группа Niger) (более 50 %), уменьшением видового разнообразия бацилл.

Нормирование с использованием экологических характеристик более адекватно отражает состояние экосистем, чем санитарно-гигиенические нормативы (на основе ПДК). При этом предусматривается повышение почвенного биопотенциала, что должно способствовать оздоровлению окружающей природной среды.

1.4 Оценка загрязнения почв

Степень загрязнения почв можно оценивать на основе учета ПДК химических веществ (табл. 2).

Таблица 2 - Предельно допустимые концентрации химических веществ в почвах и допустимые уровни их содержания по показателям вредности ("Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами",-М., 1987)[10]

Вещество	Пдк, мг/кг почвы с учетом фона	Показатели вредности
		транслокационный (накопление в растениях)	миграционный	общесанитарный
			водный	воздушный
Подвижные формы
Медь	3	3,5	72	-	3
Никель	4	6,7	14	-	4
Цинк	23	23	200	-	37
Кобальт	5	25	Более 1000	-	5
Фтор	2,8	2,8	-	-	-
Хром	6	-	-	-	6
Водорастворимые формы
Фтор	10	10	10	-	25
Валовое содержание
Сурьма	4,5	4,5	4,5	-	50
Марганец	1500	3500	1500	-	50
Ванадий	150	170	350	-	150
Марганец+ванадий	1000+100	1500+150	2000+200	-	1000+100
Свинец	30	35	260	-	30
Мышьяк	2	20	15	-	10
Ртуть	2,1	2,1	33,3	2,5	5
Свинец+ртуть	20+1	20+1	30+2	-	30+2
Медь	55	-	-	-	-
Никель	85	-	-	-	-
Цинк	100	-	-	-	-
Хлорид калия	560	100	560	1000	5000
Нитраты	130	180	130	-	225
Бенз(а)пирен	0,02	0,2	0,5	-	0,02
Бензол	0,3	3	10	0,3	50
Толуол	0,3	0,3	100	0,3	50
Изопропилбензол	0,5	3	100	0,5	50
Отходы флотации угля	3000	9000	3000	6000	3000
Комплексные гранулированные удобрения	120	800	120	800	800
Жидкие комплексные удобрения	80	Более 800	80	Более 800	800

Подвижные формы меди, никеля, цинка извлекают из почвы аммонийно-ацетатным буфером с рН 4,8 (медь, цинк), рН 4,6 (никель), подвижную форму кобальта - ацетатно-натриевым буферным раствором с рН 3,5 и рН 4,7 для сероземов и ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8 для почв остальных типов. Подвижную форму фтора извлекают из почвы с рН < 6,5 0,006 М соляной кислотой, с рН>6,5-0,03 М сульфатом калия. Подвижную форму хрома извлекают из почвы ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8.

ПДК отходов флотации угля контролируют по содержанию бенз(а)пире на в почве, которое не должно превышать его ПДК.

ПДК комплексных гранулированных удобрений состава М:Р:К= 64:0:15 контролируют по содержанию нитратов в почве, которое не должно превышать 76,8 мг/кг абсолютно сухой почвы.

ПДК жидких комплексных удобрений состава М:Р:К= 10:34:0 (ТУ 6-08-290 - 74) с добавками марганца не более 0,6 % обшей массы контролируют по содержанию подвижных фосфатов в почве, которое не должно превышать 27,2 мг/кг абсолютно сухой почвы.

Фоновое содержание химического вещества в почве - содержание, соответствующее ее природному химическому составу.

Транслокация загрязняющего почву химического вещества - переход вещества из почвы в растения.

При валовом содержании загрязняющих веществ в почве, превышающем его ПДК, определяют подвижную форму этого загрязняющего вещества.

В основе оценки загрязнения почв тяжелыми металлами лежит их кларковое (среднее) содержание (табл.3.)[10].

Таблица 3 - Группировка почв по валовому содержанию химических элементов, являющихся загрязняющими веществами, мг/кг[10]

Элемент	Фон (кларк)	Группы почв и градация уровней загрязненности
		I	II	II	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	XIII
Mn	800	1600	2400	3200	4000	4800	5600	6400	7200	8000	8800	9600	10400	11200
Cr	200	400	600	800	1000	1200	1400	1600	1800	2000	2200	2400	2600	2800
F	200	400	600	800	1000	1200	1400	1600	1800	2000	2200	2400	2600	2800
V	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100	1200	1300	1400
Li	80	160	240	320	400	480	560	640	720	800	880	960	1040	1120
Zn	50	100	150	200	250	300	350	400	450	500	550	600	650	700
Ni	40	80	120	160	200	240	280	320	360	400	440	480	520	560
Cu	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200	220	240	260	280
Pb	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	130	140
B	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	130	140
Co	8	16	24	32	40	48	56	64	72	80	88	96	104	112
As	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65	70
Mo	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28
Cd	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5	5,5	6	6,5	7
Se	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1	1,1	1,2	1,3	1,4
Hg	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09	0,1	0,11	0,12	0,13	0,14

Исходя из средних фактических уровней загрязненности почв тяжелыми металлами в окрестностях промышленных предприятий (металлургических, химических и др.), диаметр зоны активного загрязнения которых составляет 5-12 км, Почвенный институт им. В.В. Докучаева предложил группировку почв по валовому содержанию тяжелых элементов (по мере нарастания степени загрязнения). Почвы, относящиеся к VI группе (и последующим), характеризуются как очень сильно загрязненные. В случае 10-кратного превышения содержания некоторых элементов (Сu, Zn, РЬ, Ni), что, например, имеет место в зоне загрязнений предприятий цветной металлургии, рекомендуется группировать загрязняющие элементы на основе геометрической прогрессии. В качестве знаменателя прогрессии принимают 2 для элементов с кларком более 100 мг/кг (Мп, Сг, Р), 3 - для элементов с кларком 10-100 мг/кг (V, и, 7п, №, Си, РЬ) и даже 4 - для элементов с кларком >1 (Сd, Se, Нg).

Данная группировка не преследует целей характеристики почв по уровню токсичного действия на почвенную биоту, состав и свойства почвы. Тем не менее отмечено неблагоприятное воздействие таких элементов, как Zn, Сu, Ni, на почвенную биоту и некоторые биохимические процессы (ферментативная активность, дыхание, нитрификационная и аммонифицирующая способность) уже при уровне загрязненности, приходящемся на II-III группы.

После определения уровня загрязнения тяжелыми металлами (валовые концентрации) целесообразно оценить содержание подвижных форм, так как именно подвижные формы представляют реальную опасность для экосистем. Если содержание тяжелых металлов на изучаемой территории превышает ПДК, то определение подвижных форм обязательно[9].

Следует помнить, что растворимость соединений техногенных элементов (в составе выбросов) в 1,5-2 раза выше по сравнению с соединениями самой почвы, где они преимущественно находятся в составе силикатов. Причем растворимость Ni-Мn-Zn-содержащих соединений в составе выбросов выше, чем Сг-РЬ-Сu-содержащих[10].

При загрязнении почвы несколькими химическими элементами (веществами) опасность загрязнения оценивают, рассчитывая суммарный показатель

,

где n -- число определяемых ингредиентов;

-- коэффициент концентрации элемента (вещества), определяемый отношением его содержания в загрязненной почве к фоновому.

Если Z_с < 16, почва относится к I категории загрязнения; Z = 16-32 - ко II категории; Z_с = ЗЗ-128 - к III категории; Z_с > 128 - к IV категории.

При оценке почв с учетом степени экологического неблагополучия учитывают физическую деградацию, химическое и биологическое загрязнения. При этом состояние территории оценивают согласно классификации степени экологического неблагополучия: относительно удовлетворительное, напряженное, критическое, кризисное (зона чрезвычайной экологической ситуации), катастрофическое (зона экологического бедствия).

Оценку почв можно проводить также с учетом интенсивности и характера загрязнений. В этом случае загрязнение почвы может иметь четыре уровня (категории): допустимое, умеренно опасное, высоко опасное, чрезвычайно опасное.

В зависимости от категории почв по степени загрязнения предъявляют иск предприятиям, учреждениям, организациям. Размеры ущерба предлагают определять путем использования утвержденных соответствующими постановлениями нормативов стоимости освоения новых земель взамен изымаемых для несельскохозяйственных нужд.

Указанные нормативы стоимости рекомендуют применять в объеме 100% для IV категории загрязнения почв (чрезвычайно опасное загрязнение, при котором исключается возможность использования почв в сельскохозяйственном производстве)[10]. Для III категории загрязнения почв (высоко опасное загрязнение) размеры ущерба рекомендуется определять в объеме около 50 % нормативов стоимости, поскольку содержание токсичных веществ в почвах по большинству показателей превышает ПДК, а, следовательно, использование таких почв ограничено (только под технические культуры без получения на них продуктов питания и кормов для животноводства); кроме того, требуется выполнение некоторых других мероприятий, что связано с затратами. Для II категории загрязнения почв (умеренно опасное) размеры ущерба составляют 25% нормативов стоимости с учетом высокого содержания токсичных веществ в почвах и существующей опасности получения «экологически грязных» продуктов питания и кормов для животноводства, а также необходимости затрат на постоянный аналитический контроль за их качеством и содержанием опасных веществ в зоне пребывания рабочих, почвах и подземных водах, затрат на выполнение работ по ограничению поступления токсикантов из почв в растения[10].

2 Объекты и методы исследований

2.1 Объекты исследования

Район исследования принадлежит к Алтае-Саянской геоботанической области в пределах Хакасско-Минусинской впадины (карта-схема 1).

Карта-схема 1 - Район исследования.

Объектом исследования послужили черноземы выщелоченные и южные почвы. Всего в качестве объектов было изучено 3 района: трасса Абакан-Черногорск, район автовокзала, частный сектор.

2.2 Методы исследований. Атомно-абсорбционный метод определения тяжелых металлов (ТМ) в почве

Для определения ТМ в почвах и лекарственных растениях был выбран метод атомно-абсорбционной спектрометрии. Чувствительность метода составляет 0,001 мкг/мл.

Сущность метода. Анализируемый материал озоляют сухим способом при температуре 500 С в течение 4-5 ч. Золу обрабатывают азотной кислотой с последующим прокаливанием в муфельной печи для полного окисления органического вещества и угля, а затем с соляной кислотой с последующим высушиванием на водяной бане. Сухой остаток растворяют при нагревании в азотной кислоте и фильтруют в мерную колбу. В полученных растворах определяют ТМ.

Валовые формы ТМ извлекаются различными экстрагентами. В методических указаниях рекомендуется использовать 1М HNCb и Н₂0. Экстракцию проводят из отдельных навесок почв в двукратной повторности.

Аппаратура, посуда, реактивы:

атомно-абсорбционный спектрофотометр (ААС) с лампами полого катода типа CII5-IM; ацетилен технический; компрессор диафрагменный СИ-45; рН-метр; механический встряхиватель; весы лабораторные; электроплитка; аппарат для бидистилляции воды; водяная баня; ротатор для перемешивания почвы с раствором с оборотом на 360 ; колбы мерные с пришлифованными пробками вместимостью 50, 100, 1000 мл ; воронки стеклянные типа В диаметром 56, 75 мл; пипетки калиброванные с делениями вместимостью 1, 2, 5, 10 мл; дозатор для отбора проб 10 и 50 мл вытяжки; набор ареометров; измельчитель проб; мельница лабораторная; сито с круглыми отверстиями; ступка фарфоровая с пестиком; печь муфельная; щипцы тигельные; стекла часовые; воронки стеклянные; набор бюреток; фильтры обеззоленные; кислота азотная, х.ч.; кислота соляная, х.ч.; аммиак водный, х.ч.; фенолфталеин, индикатор; цинк гранулированный, х.ч.; медь сернокислая 5-водная, х.ч.; свинец металлический, х.ч.; кислота серная, х.ч.; вода дистиллированная; перекись водорода; вода бидистиллированная.

Приготовление растворов необходимо производить в вытяжном шкафу.

Для приготовления соляной кислоты с концентрацией 1М. 82,0 мл соляной кислоты плотностью 1,19 г/мл приливают в бидистиллированную воду и доводят до 1000 мл. Концентрацию приготовленной кислоты проверяют титрованием раствора едкого натра в присутствии фенолфталеина. Для анализа допустима молярность кислоты от 0,99 до 1,0 моль /л.

Приготовление раствора 1 М азотной кислоты. В коническую из термостойкого стекла колбу вместимостью 1000 мл наливают 938 мл бидистиллированной воды и приливают к ней 62 мл азотной кислоты плотностью 1,42, осторожно помешивая раствор. Полученный раствор охлаждают до комнатной температуры.

Приготовление раствора азотной кислоты с концентрацией 5 моль/л. В коническую колбу из термостойкого стекла на 1000 мл наливают 690 мл бидистиллированной воды, цилиндром на 500 мл отбирают 310 мл азотной кислоты плотностью 1,42 и осторожно, при перемешивании, приливают ее к воде. Полученный раствор охлаждают до комнатной температуры. Приготовление раствора азотной кислоты с массовой концентрацией 50%. В коническую колбу на 1000 мл цилиндром на 500 мл отбирают 500 мл бидистиллированной воды, приливают 350 мл концентрированной азотной кислоты плотностью 1,42, осторожно перемешивая раствор.

Приготовление растворов сравнения для проведения настройки прибора .

Приготовление основного раствора цинка с массовой концентрацией 1000 мг/л. На аналитических весах взвешивают навеску 1,000 г металлического цинка, помещают ее в мерную колбу на 1000 мл и растворяют ее в 20 мл 50%-ной азотной кислоты, и доводят до метки азотной кислотой с концентрацией 1 М. Полученный раствор имеет концентрацию 1000 мг/л.

Из основного раствора цинка готовят рабочие растворы.

Приготовление рабочего раствора цинка с массовой концентрацией 100 мг/л. В мерную колбу на 100 мл отбирают 10 мл основного раствора цинка, добавляют цилиндром на 5 мл 0,5 мл 50%-ной азотной кислоты. Раствор доводят бидистиллированной водой до метки.

Приготовление растворов сравнения цинка. В таблице 4 приводятся объемы рабочего раствора цинка (мл), из которых готовят растворы сравнения заданной концентрации.

Таблица 4 - Объемы рабочего раствора цинка

Характеристика растворов	Объем рабочего раствора цинка (100 мг/л), мл
Рабочий раствор	0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 15,0
Концентрация раствора сравнения цинка, мг/л	0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 15,0

В мерные колбы вместимостью 100 мл приливают объемы рабочих растворов цинка, указанные в таблице 4. Затем в каждую колбу добавляют по 0,5 мл 50%-ной азотной кислоты и доводят до метки бидистиллированной водой. Раствор используют в день приготовления.

Приготовление основного раствора меди с массовой концентрацией 1000 мг/л.

На аналитических весах взвешивают 3,929 г меди сернокислой C11SO4* 5Н₂0, помещают навеску в мерную колбу вместимостью 1000 мл и растворяют в бидистиллированной воде, содержащей 1 мл концентрированной серной кислоты, доводят объем до 1 л. Из основного раствора меди готовят рабочие растворы.

Приготовление рабочего раствора меди с концентрацией 100 мг/л. В мерную колбу на 100 мл пипеткой отбирают 10 мл основного раствора меди, добавляют цилиндром на 5 мл 0,5 мл 50%-ной азотной кислоты и раствор доводят бидистиллированной водой до метки. Раствор используют в день приготовления.

Приготовление растворов сравнения меди. В таблице 6 приводятся объемы рабочего раствора меди (мл), из которых готовят растворы сравнения меди.

Таблица 5 - Объемы рабочего раствора меди

Характеристика растворов	Объемы рабочего раствора меди (100 мг/л), мл
Рабочий раствор	0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 15,0
Концентрация раствора сравнения меди, мг/л	0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 15,0

В мерные колбы вместимостью 100 мл приливают объемы рабочих растворов меди, указанных в таблице 5, затем в каждую колбу добавляют по 0,5 мл 50%-ной азотной кислоты и доводят объемы до меток бидистиллированной водой. Растворы используют в день приготовления.

Приготовление основного раствора свинца с массовой концентрацией 1000 мл/л. На аналитических весах берут навеску 1,000 г металлического свинца, помещают навеску в мерную колбу на 1000 мл, прибавляют к навеске 50 мл азотной кислоты с концентрацией 1 моль/л и растворяют в ней навеску.

Приготовление рабочего раствора свинца с концентрацией 100 мг/л. В мерную колбу на 100 мл пипеткой отбирают 10 мл основного раствора свинца, добавляют цилиндром на 0,5 мл 50%-ной азотной кислоты и доводят до метки бидистиллированной водой. Раствор используют в день приготовления.

Приготовление растворов сравнения свинца.

Растворы сравнения свинца готовят добавлением к указанным в таблице 7 количествам рабочего раствора свинца по 0,5 мл 50%-ной азотной кислоты и доводят объем растворов до 100 мл бидистиллированной водой. Растворы используют в день приготовления.

Таблица 6 - Объемы рабочего раствора свинца

Характеристика растворов	Объемы рабочего раствора свинца (100 мг/л), мл
Рабочий раствор, мл	0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 20,0
Концентрация раствора сравнения свинца, мг/л	0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 20,0

Химическое разложение проб почв при валовом определении ТМ. 10 г измельченной почвы помещают в химический стакан и заливают 50 мл HNO₃ (1:1). Осторожно перемешать содержимое. Стакан поместить на электрическую плитку и кипятить на медленном огне 10 мин. К пробе по каплям прилить 10 мл концентрированной перекиси водорода при перемешивании, вновь довести до кипения и кипятить 10 мин. После охлаждения суспензию отфильтровать в мерную колбу на 100 мл. Фильтр с осадком поместить в стакан, в котором остался остаток почвы. Прилить 40 мл 1 М НNO₃ , нагреть и кипятить еще 30 мин. После охлаждения жидкость отфильтровать в ту же мерную колбу. Осадок на фильтре промыть горячей азотной кислотой и после охлаждения доводят объем фильтрата в мерной колбе до метки бидистиллированной водой. Одновременно проводят "холостой" анализ, включая все его стадии[2].

3. Физико-географическое описание района исследования

Местоположение на восточном склоне Абаканского хребта Восточного Саяна, вблизи р. Енисей при впадении в нее р. Абакан

Климат района резко континентальный, с холодной зимой и жарким летом. Для него характерны резкие колебания температуры и осадков. Амплитуда средних месячных температур воздуха 40-41°. Продолжительность безморозного периода от 80 до 120 дней.

Атмосферное увлажнение неустойчивое, особенно в степной части. Годовая сумма осадков колеблется от 250 до 450 мм, причем 90% головой суммы осадков выпадает за теплый период (апрель-октябрь).

Климат формируется под влиянием ряда факторов: положение в пределах Алтае-Саянской горной страны в глубине евроазиатского материка, высоты местности над уровнем моря, разнообразия и расчлененности рельефа, почвенного и растительного покрова.

Географическое положение обуславливает изменение сумм солнечной радиации. Данная территория получает большое количество тепла. Величина суммарной радиации в степи составляет 100-105 ккал/см2год, что превышает этот показатель для западных районов страны, расположенных на тех же широтах. Значение отраженной радиации зависит от состояния подстилающей поверхности и составляет зимой 55%, а летом 16%. На долю эффективного излучения приходится 41% суммарной радиации. Следует отметить, что с высотой количество отраженной радиации и эффективного излучения уменьшается вслед за уменьшением облачности.

Возникновение местных динамических процессов в приземной атмосфере во многом зависит от характера рельефа поверхности. Для Минусинской котловины характерен холмисто-увалистый рельеф, который обуславливает турбулентность воздушного потока. Кузнецкий Алатау и Западный Саян не только климатически обособлены, но и влияют на распределение метеорологического режима соседних территорий.

Вдоль склонов гор в атмосфере постоянно происходят динамические процессы, трансформирующие свойства перемещающихся воздушных масс. При западных и юго-западных ветрах волновые турбулентные возмущения распространяются над котловиной в виде зон опускания и поднятия воздуха, поэтому изменяется характер циркуляции воздуха на наветренных и подветренных склонах и внутри котловины. При этом волновые движения, возникшие над возвышенностью, сохраняются и на значительном удалении от нее.

Большую роль в климатообразовании играет почвенный и растительный покров, главным образом через величину альбедо, процессы накопления и испарения влаги.

В пределы Хакасии приходят воздушные массы, отличающиеся по происхождению и физическим свойствам. Прежде всего, это воздух Атлантики и Арктики, видоизмененный на пути следования, но все же сохраняющий основные первоначальные качества. В других случаях наблюдается вхождение континентального умеренного или континентального тропического воздуха, сформировавшегося над одним из соседних районов: тайгой Восточной Сибири, в Средней Азии, над центральноазиатскими нагорьями. Наиболее характерно преобладание западного переноса воздуха. Поступление новых воздушных масс, их взаимодействие между собой и с подстилающей поверхностью представляет собой процесс, выражающийся в разных типах погоды[1].

4. Результаты исследования

Рассматривая проблемы загрязнения, мониторинга и охраны почв, следует остановиться на негативных последствиях применения органических и минеральных удобрений, различных мелиорирующих средств. Простейший случай негативных последствий такого рода связан с уровнем содержания в удобрениях и мелиорантах тяжелых металлов, фторидов и других загрязняющих химических веществ. Специальными исследованиями было показано, что в некоторых регионах опасность загрязнения почв, вод, растений вследствие химизации земледелия может быть более высокой, чем загрязнения за счет выбросов промышленных предприятий.

Нами было определено содержание ТМ в почвах следующих районов исследования: трасса Абакан-Черногорск, район автовокзала в г. Черногорске и частный сектор г. Черногорска (табл. 7).

Таблица 7 - Содержание тяжелых металлов в почве, мг/кг

№ п/п	Место отбора проб	Основные химические элементы, мг/кг
		Медь (подвижная форма)	Свинец (подвижная форма)	Цинк (подвижная форма)
1	Трасса Абакан-Черногорск	0,76	0,83	1,65
2	г.Черногорск, район автовокзала	0,20	0,53	7,75
3	г.Черногорск, частный сектор	0,40	2,27	3,10
ПДК, мг/кг	3,00	30,00	23,00

Таблица 7, рисунок 2 показывают, что наибольшее содержание ионов меди наблюдается в почвенном покрове на трассе Абакан-Черногорск и составляет 0,76 мг/кг. Наименьшее их содержание отмечено в районе автовокзала (0,20 мг/кг). Полученные результаты показывают, что содержание ионов меди, свинца и цинка в исследуемых почвах не превышают показатели ПДК (рис.1).



Рис 1. Анализ содержание тяжелых металлов в исследуемых районах.

Рис 2. Анализ содержания ионов меди в исследуемых районах.



Рис 3. Анализ содержания ионов свинца в исследуемых районах.

Наибольшее содержание ионов свинца наблюдается в районе частного сектора (2,27 мг/кг) (рис. 3), а наименьшее их содержание отмечено в районе автовокзала.

Рис 4. Анализ содержания иогнов цинка в исследуемых районах.

Наибольшее содержание ионов цинка наблюдается в районе автовокзала города Черногорска - 7, 75 мг/кг, среднее их содержание отмечено в районе частного сектора (3,1 мг/кг) и наименьшее - в районе трассы Абакан-Черногорск (1,65 мг/кг) (рис. 4).

В пересчете на коэффициент влажности, показатели содержания ТМ несколько увеличились. Это говорит о том, что содержание ТМ в сухой почве будет больше (табл. 8).

Таблица 8 - Показатели содержания тяжелых металлов в почве в пересчете на коэффициент влажности.

№ п/п	Место отбора проб	Основные химические элементы, мг/кг
		Медь (подвижная форма)	Свинец (подвижная форма)	Цинк (подвижная форма)
1	Трасса Абакан-Черногорск	1,27	1,38	2,64
2	г. Черногорск, район автовокзала	0,34	0,88	12,40
3	г. Черногорск, частный сектор	0,67	3,78	4,96
ПДК, мг/кг	3	30	23

Таблица 8 показывает, что показатели содержания ТМ в пересчете на коэффициент влажности, так же не превышают ПДК.

Содержание ТМ на исследуемых объектах показано на рисунках 5-8.



Рис 5. Анализ содержания тяжелых металлов в исследуемых районах в пересчете на коэффициент влажности.

Из данного рисунка видно, что содержание меди, свинца и цинка в исследуемых районах не превышает предельно допустимые нормы.

Рис 6. Анализ содержания меди в исследуемых районах.

Наибольшее содержание меди наблюдается в районе трассы Абакан-Черногорск (1,27 мг/кг).

Рис 7. Анализ содержания свинца в исследуемых районах.

Наибольшее содержание свинца наблюдается в районе частного сектора (3,78 мг/кг).

Рис 8. Анализ содержания цинка в исследуемых районах.

Наибольшее содержание меди наблюдается в районе автовокзала (12,4 мг/кг).

Полученные результаты сведены в таблицу 9.

Таблица 9 - Сводная таблица содержания тяжелых металлов

№ п/п	Места взятия проб	Медь	Свинец	Цинк
		Без пересчета на коэф. увл.	с пересчетом на коэф. увл.	Без пересчета на коэф. увл.	с пересчетом на коэф. увл.	Без пересчета на коэф. увл.	с пересчетом на коэф. увл.
1	Трасса Абакан-Черногорск	0,76	1,27	0,83	1,38	1,65	2,64
2	г.Черногорск, район автовокзала	0,20	0,34	0,53	0,88	7,75	12,4
3	г.Черногорск, частный сектор	0,39	0,67	2,27	3,78	3,10	4,96

Выводы

1. В результате проделанной работы были изучены и проанализированы доступные литературные источники;

2. Проведен химический анализ почвенного покрова трех районов территории г.Черногорска;

3. Выявлены основные источники выбросов тяжелых металлов на территории г.Черногорска.

Загрязнение почв тяжелыми металлами имеет разные источники:

- промышленные выбросы;

- продукты сгорания топлива;

- автомобильные выхлопы отработанных газов;

- средства химизации сельского хозяйства.

4. Проанализирована степень загрязненности районов г.Черногорска.

Содержание тяжелых металлов в почве исследуемых районов не превышает предельно допустимых концентраций (ПДК).

Список используемой литературы

1. Паспорт социально - экономического положения г. Черногорска в 2006 г. [Текст]/фед. служба гос. статистики, Территориальный орган фед. службы гос. статистики по Республики Хакасия. - Абакан: [б.и.], 2007. - 39с - 240 р.

2. Агрофизические методы исследования почв/Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева; [отв.ред.: С.И. Долгов]. - М.: Наука, 1996. - 260 с.: ил. - Библиогр.: с 256-258. - 35 р.

3. Загрязнение почв и растений тяжелыми металлами и фтором [Текст]: материалы научно - производственной конференции 19 декабря 1990 г.: сб.Краснояр. краевое правление Всесоюз. Науч. - техн. о-ва, Красноярское краевое агропромышленное объединение. - Красноярск: [б. и.], 1991. - 64 с. - 20 р.

4. Загрязнение почв и растений фтором и тяжелыми металлами [Текст]: сб. статей/под ред. П.С. Бугакова. - Красноярск: [б. и.], 1996. -42 с. - 30 р.

5. Возбуцкая А.Е. Химия почвы: Учебн. Пособие для студентов университетов/Под ред. Д.Л. Аскинази. - 3-е изд., исправл. и доп. - М.: Высш. Школа, 1968. - 427 с.

6. Сохранение почв как незаменимого компонента биосферы: Функционально экологический подход: [Монография]/ Г.В. Добровольский, Е.Д. Никитин, Рос. акад. наук, Ин-т почвоведения МГУ-РАН, Фак. Почвоведения им. М.В. Ломоносова - М.: Наука; МАИК «Наука/Интерпериодика», 2000. - 185 с.

7. Биосферные циклы тяжелых металлов и регуляторная роль почвы//Почвоведение.- 1997.-№4 - с.431-441.

8. Восстановление земель, загрязненных тяжелыми металлами/Ю.Ф. Мажайский//мелиорация и вод. хоз-во - 2001.-№2 - с.34-36.

9. Расчет суммарного показателя загрязнения почвы тяжелыми металлами/А.В.Мороз//Аграр. наука. - 2001.-№8. - с.6-7.

10. Агроэкология/ В.А. Черников, Р.М. Алексахин, А.В. Голубев и др.; Под ред. В.А. Черникова, А.И. Ченереса. - М.: Колос, 2000. - 536с.: ил. -ISBN 5-10-003269.