Тяжелые металлы и металлоиды в почвах города Серпухова

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тяжелые металлы и металлоиды в почвах города Серпухова

Кузьминская Н.Ю.

Аннотация

Определено валовое содержание и концентрации подвижных форм тяжелых металлов и металлоидов в поверхностном горизонте почв г. Серпухова. Приоритетными загрязнителями городских почв являются Cu, Pb, Zn, Sb, Ni, Cr, W, Sn, Bi, содержание которых превышает местный фон в 3,2-8,4 раз. Концентрации подвижных форм Pb и Zn значительно превышают фоновые значения, тогда как концентрации Mn, Bi и Cr отличаются незначительно. Суммарное загрязнение городских почв высокое, среднее значение коэффициента Zc по городу составило 39,1.

Ключевые слова:городские почвы, тяжелые металлы и металлоиды, загрязнение, подвижные формы тяжелых металлов и металлоидов.

В крупных промышленных центрах, где природная среда и человек находятся под воздействием множества источников загрязнения, складывается наиболее опасная экологическая ситуация. Происходит наложение ареалов загрязнения отпроизводств, транспорта, муниципальных и других отходов, что приводит к формированию полиэлементных техногенных геохимических аномалий в депонирующих средахгородских ландшафтов, которые негативно сказываются на условиях проживания населения[1]. Поэтому во многих городах мира ведется эколого-геохимический мониторинг состояния окружающей среды, который включает оценку загрязнения почв,донных отложений в реках и озерах и состояния травянистой и древесной растительности.

Актуальность исследуемой темы связана с высокой опасностью накопления тяжелых металлов и металлоидов (ТММ) в почвах г. Серпухова, одного из крупных промышленных центров Подмосковья. В 1998-1999 гг. на территории города были проведены комплексные исследования, результаты которых опубликованы в книге “Экологическая ситуация в г. Серпухове и перспективы ее улучшения” [2]. За истекший период экологическая ситуация в городе изменилась в связи с увеличением транспортной нагрузки, строительством новых жилых объектов и изменениями в промышленной структуре города; возникла необходимость в новом эколого-геохимическом обследовании территории Серпухова. Целью работы является оценка загрязнения почвенного покроваг. Серпухова ТММ, поступающими с выбросами промышленных предприятий и автотранспорта. Решались следующие задачи:

- оценка уровней содержания ТММ в поверхностных горизонтах почвразных функциональных зон города и в фоновых условиях;

- выявление пространственного распределения приоритетных поллютантов в почвенном покрове городав зависимости от природных и техногенных факторов;

- эколого-геохимическая оценка состояния почвенного покрова Серпуховапо содержанию ТММ.

Объект и методы

Объектом исследования является г. Серпухов - административный центр Серпуховского района, расположенный на юге Московской области на р. Наре, вблизи её впадения в р. Оку. Площадь города 32,1 км2, население 126 тыс. чел. Территория относится к южной подзоне хвойно-широколиственных лесов и представляет собой пологоволнистую эрозионную равнину, перекрытую флювиогляциальными отложениями.Зональные почвы на исследуемой территории представлены дерново-подзолистыми [3]. Они сохранились только под естественными лесами, вжилой и промышленной зонах значительные площади почв имеют нарушенный морфологический профиль.

В Серпухове размещено 147 промышленных предприятий, в том числе 33 крупных. Основные отрасли промышленного комплекса: машиностроение и металлообработка (производящие 35% промышленной продукции), пищевая (22%) и химическая (21%), которые являются источниками Cd, Cu, Ni, Zn, Ba, As, V, Cr[4].Значительный вклад в загрязнение города вносит автотранспорт, с которым связано поступление Pb, Zn, Cu, Sb, Mn, Cr, Ti [5].

При функциональном зонированиитерритории Серпуховавыделено 5 зон: селитебные с многоэтажной и усадебной застройкой, промышленная, транспортная и рекреационная (рис. 1).

В ходе геохимической съемки летом 2016 гг. на территории города отобрано 118 смешанных проб почв из поверхностных (0-10 см) горизонтов методом конверта по сетке 500Ч500 м [6]. В качестве фоновых приняты осредненные по 4-м образцам содержания ТММ из поверхностных горизонтов почв на территории Приокско-Террасного заповедника в 10-12 км к восток-юго-востоку от Серпухова. Полученные данные сопоставлены с глобальными кларками литосферы, рекомендованными [7].

Во всех отобранных пробах определены физико-химические показатели: рНводн потенциометрическим методом, удельная электропроводность (EC) суспензии с помощью кондуктометра, содержание органического углерода (Сорг) методом Тюрина, гранулометрический состав почв методом лазерной гранулометрии. Валовое содержание ТММанализировалось масс-спектральным и атомно-эмиссионным методами с индуктивно-связанной плазмойво ВНИИ минерального сырья.В вытяжке ацетатно-аммонийного буфера (ААБ) с рН=4,8 проанализированы подвижные формы (п.ф.)Cr, Mn, Cu, Zn, Bi и Pb.

Геохимическая трансформация городских почв характеризовалась коэффициентами концентрации относительно фона

Кс = Сi/Сф, (1)

где Сi, Сф - содержание элемента в городской и фоновой почве, соответственно. Общая геохимическая нагрузка определялась по суммарному показателю загрязнения:

Zс = УKс-(n-1), (2)

где n - число химических элементов с Kс> 1; кратность превышения ПДК [8]-по коэффициенту экологической опасности:

Ко=Сi /ПДК. (3)

Статистическая обработка данных проводилась в пакетах STATISTICA 7 и Excel-MS. С помощью кластерного анализа (алгоритм Completelinkage) выявлены ассоциации, объединяющие ТММ со сходными тенденциями к накоплению и выносу в различных ландшафтно-геохимических условиях. Моно- и полиэлементные геохимические карты составлялись в пакете ArcGIS (модуль ArcMap) методом Spline (TENSION).

2. Результаты и их обсуждение

Трансформация физико-химических свойств городских почв. По сравнению с фоновыми в городских почвах наблюдается сдвиг реакции среды в щелочной диапазон,что вызвано антропогенным воздействием - поступлением карбонатной пыли, золы, высвобождением кальция при растворении содержащихся в почвах техногенных включений и компонентов противогололедных смесей [9]. Основная часть почв характеризуется нейтральной и слабощелочной реакцией среды, тогда как фоновые почвы - средне- и слабокислой. Увеличивается содержание органического углерода (Сорг), его среднее содержание в городе составляет 2,5%, что в 1,3 раза выше фоновых значений. Наибольшее количество Сорг имеют почвы вблизи промзон и вдоль транзитных и магистральных проездов. Происходит утяжеление гранулометрического состава, это связано с осаждением на поверхность почв техногенного тонкодисперсного аэрозоля и накоплением пылеватых частиц [4, 10]. Наибольшие площади города заняты почвами супесчаного и легкосуглинистого состава, в то время как в фоновых почвах преобладает фракция связного песка.

Валовое содержание тяжелых металлов и металлоидов в городских почвах. Все точки опробования сгруппированы по функциональным зонам, для которых составлены геохимические спектры (рис. 1). Их анализ показал, что наибольшее накопление в городе характерно для Cu (Кс 8,4), Pb (5,3), Zn, Sb, Ni, Cr, W, Sn (4,8-4,4), Bi (3,2). Накопление U, Cd, Mo, Sr, Cs, As, V(2,5-1,9). Данные элементы содержатся в выбросах предприятий машиностроения и металлообработки (W, Zn, Sb, Ni, Cr, Cu, Pb) - Серпуховского автозавода, завода “Металлист”, механического завода, завода металлоконструкций МАИ и др.; пищевой (Cd, Cu, Ni,Cr,Pb, Zn) - завода MarevenFoodCentral, универсальных пищевых технологий, завода Фруктовых наполнителей, молокозавода и др.; химической (W, Cd, Sb, Sn, Zn, Cu, Bi, Pb) - завода “Химволокно”; легкой промышленности (Sb, Sn, Pb, W, Cr) - Серпуховский текстиль, Серпуховский кожевенный завод “Труд”, а также автотранспорта (Cd, Zn, Pb, Ni, Cr, Cu, Sb).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

металл поллютант почвенный техногенный

В каждой функциональной зоне выделяется свой набор приоритетных поллютантов (рис. 1, табл. 1). Наиболее интенсивное загрязнение Cu, Cr (Кс 10-9,6), Ni, Zn, Bi, W, Pb, Sn, Sb (4,9-3,4) характерно для почв транспортной и селитебной зон с многоэтажной застройкой, что связано с воздействием автотранспорта, т.к. жилая многоэтажная зона отличается густой сетью внутриквартальных проездов и автостоянок. Менее интенсивное загрязнение в усадебной зоне -As (Кс 9), Cd, W, Ni, Cs, Pb (5,8-4,9). Наряду с применением удобрений сюда поступают поллютанты от автотранспорта и промпредприятий. В промышленной зоне накапливаются Cu (Кс 7,1), Ni, Pb (5,3-4,6), Sb, Cr, W, Zn (3,6-2,9), а в рекреационной - Cu, Pb, Sb (5,1-4,2), W, Sn, Ni, Bi (3,6-2,7). Более слабое загрязнение почв в промзоне объясняется выносом воздушными потоками части выбросов в другие зоны; в рекреационной зоне древесные растения задерживают и аккумулируют на своей поверхности часть поллютантов.

Таблица 1

Концентрации валовых (1) и подвижных форм (2) ТММ (мг/кг) и их подвижность (%) в почвах функциональных зон г. Серпухова и в фоновых почвах

*Число проб; ** над чертой - среднее содержание ТММ, под чертой - min - max, ***подвижность.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В почвахСерпухова выявлены 3 устойчивые ассоциации: Cu-Cd-Sb, W-Zn и Bi-Cr, элементы которых обладают близким распределением. Его характеризуют моноэлементные карты, составленные для ТММ с наибольшим накоплением- Cu (Кс 8,4); Zn(4,8); Cr(4,6) (рис.1). Аномалия в северо-северо-западной части города сформирована под воздействием выбросовзавода РАТЕП, Нефтебазы и Ватной фабрики. Всеверо-восточной части - под воздействием выбросов северной промзоны, завода им. Сольца, Серпуховского автозавода и завода “Химволокно”, а также в результате воздействия Московского шоссе и железной дороги. На юге высокое содержание ТММ обусловлено влиянием Серпуховского конденсаторного завода, завода АЗТ, а также железнодорожного и автотранспорта.

Подвижные формы тяжелых металлов и металлоидов. Наиболее близкие к фону концентрации п.ф. Cuнаблюдаются в рекреационной зоне (0,5 мг/кг). Наибольшее превышение над фоновыми значениями зарегистрировано в транспортной зоне (10,3 мг/кг), что связано с активным поступлением Cu в почву от автотранспорта. Во всех функциональных зонах значительно(почти в 10 раз) превышено фоновое содержание п.ф. Zn. Наименьшие концентрации п.ф. Zn наблюдаются в рекреационной зоне (14,2 мг/кг), наибольшие в транспортной, жилой многоэтажной и усадебной (27,1, 30,4 и 30,7 мг/кг соответственно). Содержание п.ф. Pb также далеки от фоновых концентраций. Наибольшие концентрации зафиксированы в промышленной и транспортной зонах (20,4 и 21,5 мг/кг), наименьшие в жилой многоэтажной и рекреационной (3,2 и 3,6 мг/кг). Небольшие отклонения от фона наблюдаются у п.ф. Bi и Cr. Максимальное содержание п.ф. Cr с превышением фона в 11,5 раза было выявлено в зоне жилой многоэтажной застройки, где он поступает из бытовых отходов. Увеличение количества п.ф. Fe относительно фона наблюдается в промышленной, рекреационной и транспортной зонах (69,6, 54,4 и 44,8 мг/кг соответственно), в селитебных зонах его значения не превышают фоновые. Концентрации п.ф. Mn наиболее близки к фоновым в рекреационной и транспортной зонах, незначительное превышение наблюдается в промышленной зоне (24,7 мг/кг). Обеднены п.ф. Mn, также как и Fe, селитебные зоны.

Наибольшая подвижность (30,9-15,4% от валового содержания) отмечена у Bi, Zn и Pb. Подвижность Bi колеблется в среднем от 14,4% в усадебной зоне до 30,9% на фоне (табл. 1), подвижность Zn в среднем не превышает 15,4%. Подвижность наиболее опасного из рассматриваемых элементов Pb достигает максимума в промышленной и транспортной зонах - в среднем 19,7% и 17,1% соответственно. Подвижность Cr и Fe невелика - в среднем 0,5-1,5% и 0,3-1,8% соответственно, а у Cu убывает от 9,3% в транспортной и 7,0% в промышленной до 2,1% в парково-рекреационной зоне. Наибольшая подвижность (5,7%) Mn наблюдается в промышленной зоне.

Эколого-геохимическая оценка загрязнения городских почв. Анализ осредненного по функциональным зонам суммарного показателя загрязнения (Zc) выявил значительное загрязнение почв ТММ в транспортной (Zc=56,6) и многоэтажной жилой (Zc=42,6) зонах. Чуть меньшее значение Zc наблюдается в усадебной застройке (Zc=39,1). Для всех этихфункциональных зон присущвысокий уровень загрязнения и опасное экологическое состояние почв. Умеренно-опасное состояние наблюдается в промышленной (Zc=26,8) и в рекреационной (Zc=25,1) зонах.

Средняя по городу величина Zc составила 39,1, что свидетельствует об опасном экологическом состоянии почв. 16,9% опробованных точек имеют низкий, неопасный уровень (Zc< 16); 39,8% - средний, умеренно опасный (16 <Zc< 32); 30,5% - высокий, опасный (32 <Zc< 64); 9,4% - очень высокий, очень опасный (64 <Zc< 128); 3,4% - максимальный, чрезвычайно опасный (Zc> 128) уровень загрязнения почв(рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПДК Zn и Pb в почвах г. Серпухова превышены во всех функциональных зонах. Zn является самым опасным загрязнителем с многократным превышением ПДК, максимальным в транспортной зоне (Ко=5,1). Наиболее загрязнена усадебная застройка, в которой ПДК превышены по максимальному количеству ТММ - 7 из 8. Наиболее высокие значения Ко наблюдаются у п.ф. Pb в транспортной и промышленной зонах. В транспортной зоне обнаружены также значительные превышения норматива по содержанию п.ф. Cu с локальным максимумом Ко=26,1. Максимальные концентрации подвижного Zn во всех зонах превышают ПДК, наибольшее среднее зафиксировано в селитебной зоне. Содержания п.ф. Mn и Cr не превышают установленных ПДК.

Выводы

В результате антропогенного воздействия меняются основные физико-химические свойства почв: рН, содержание гумуса, минерализация и грансостав, что усиливает аккумуляцию ТММ в верхнем слое городских почв.

Анализ геохимических спектров показал, что приоритетными поллютантами почв г. Серпухова являются Cu (Кс 8,4), Pb (5,3), Zn, Sb, Ni, Cr, W, Sn (4,8-4,4), Bi (3,2). Такой набор ТММ обусловлен промышленной специализацией города и отдельных функциональных зон. В транспортной зоне по сравнению с фоновыми почвами наиболее активно аккумулируются Cu, Pb, Zn, Sn, W(Кс 10,8-7), Sb, Ni, Bi, Cr (6,4-4), которые поступают от автотранспорта. В промышленной -Cu (Кс 7,1), Ni, Pb (5,3-4,6), Sb, Cr, W,Zn (3,6-2,9), что связано с выбросами различных промышленных предприятий.

Во всех зонах города выявлено превышение концентрации п.ф. Pb и Zn над фоновыми значениями, содержание п.ф. Mn, Bi и Cr отличается от фона незначительно.

Средняя по городу величина Zc составила 39,1, что свидетельствует об опасном экологическом состоянии почв.Высокая степень загрязнения почв характерна для транспортной (Zc56,6) и селитебной многоэтажной (42,6) зон.

Библиографический список

1. Касимов, Н.С. Экогеохимия ландшафтов. М.: ИП Филимонов М.В., 2013. - 208 с.

2. Экологическая ситуация в городе Серпухове и перспективы ее улучшения / Под ред. Ф.И. Хакимова, А.Ю. Поповой, А.С. Керженцева. М.: изд-во ПОЛТЕКС, 2000, 228 с.

3. Почвы Московской области и их использование. Т. 1. М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, 2002. 500 с.

4. Регионы и города России: интегральная оценка экологического состояния / Под ред. Н.С. Касимова. М.: ИП Филимонов М.В., 2014, 560 с.

5. Limbeck A., Puls C. Particulate emissions from on-road vehicles / Urban airborne particulate matter: origin, chemistry, fate and health impacts / Ed. by F. Zereini, C.L.S. Wiseman. Heidelberg: Springer-Verlag Berlin, 2011. P. 63-79.

6. Demetriades A., Birke M. Urban Geochemical Mapping Manual: Sampling, Sample preparation, Laboratory analysis, Quality control check, Statistical processing and Map plotting. EuroGeoSurveys, Brussels, 2015. 162 pp.

7. Касимов Н.С., Власов Д.В. Кларки химических элементов как эталоны сравнения в экогеохимии // Вестник Моск. ун-та. Серия 5. География. 2015. № 2. С. 7-17.

8. ГН 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве: Гигиенические нормативы. М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2006. 15 с.

9. Никифорова Е.М., Кошелева Н.Е., Власов Д.В. Мониторинг засоления снега и почв Восточного округа Москвы противогололедными смесями // Фундаментальные исследования. 2014. № 11-2. С. 340-347.

10. Экогеохимия городских ландшафтов / Под ред. Н.С. Касимова. М.: Изд-во МГУ, 1995. 336 с.

Размещено на Allbest.ru