Изменения содержания тяжелых металлов в почвах Костомукшского региона под влиянием техногенеза

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

ИЗМЕНЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ КОСТОМУКШСКОГО РЕГИОНА ПОД ВЛИЯНИЕМ ТЕХНОГЕНЕЗА

Арестова И.Ю.^,, Опекунова М.Г., Елсукова Е.Ю., Кукушкин С.Ю.

Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия

Аннотация

В статье представлены результаты мониторинговых исследований почв на участках Костомукшского государственного природного биосферного заповедника, города Костомукша и Костомукшского горно-обогатительного комбината. Отмечено низкое валовое содержание всех изученных металлов в естественных природных комплексах. Выявлены особенности вертикального распределения концентраций тяжелых металлов по почвенным горизонтам. Установлено резкое увеличение концентраций большинства изученных элементов во всех почвенных горизонтах в городской зоне и на территории комбината. Для ряда металлов отмечается изменение в характере распределения по горизонтам в сравнении с фоновыми почвами.

Ключевые слова: экологический мониторинг, загрязнение почв, тяжелые металлы, заповедник, Карелия.

Abstract

The paper presents the results of monitoring studies of soils in the area of the Kostomuksha State Natural Biosphere Reserve, the city of Kostomuksha and the Kostomuksha mining and processing plant. The low gross content of all the studied metals in natural complexes was found. The authors revealed features of the vertical distribution of heavy metal concentrations over soil horizons. A sharp increase in the concentrations of most of the elements studied was found in all soil horizons in the urban zone and on the territory of the plant. For a number of metals, there is a change in the nature of the distribution over the horizons in comparison with background soils.

Keywords: environmental monitoring, soil pollution, heavy metals, nature reserve, Karelia.

тяжелый металл почва биосферный заповедник

Введение

Территории, расположенные в зоне влияния крупных месторождений, давно являются объектом изучения содержания тяжелых металлов (ТМ) в сопряженных компонентах окружающей среды. Чаще всего в роли таких компонентов вступают почвы и растения, так как они отражают как краткосрочные, так и долгосрочные изменения, происходящие в природно-территориальных комплексах (ПТК). При этом в подобных исследованиях наибольший интерес представляет сравнение биогеохимических показателей участков, испытывающих постоянное воздействие, и территорий с минимальным уровнем нарушений, характеристики которых принимаются за фоновые.

Костомукшский горно-обогатительный комбинат (КГОК), расположенный на северо-западе Карелии, является ведущим комбинатом по добыче и переработке железной руды в России. Горные работы ведутся с 1982 года на базе Костомукшского месторождения, которое включает железистые кварциты, кристаллические сланцы различного состава и геллефлинты. В марте 2007 года начата добыча и переработка железной руды Корпангского месторождения. В 2008 году компания получила лицензию на разведку и обработку запасов руд Южно-Корпангского участка недр. В 2017 году добыча горной массы на комбинате составила более 51 млн м³, добыча руды - 36714000 т. [1]

На Костомукшском месторождении выделены четыре разновидности руд: щелочноамфиболовые, биотитовые, грюнеритовые и двуамфиболовые. Руды Корпангского месторождения имеют амфибол-магнетитовый состав. Содержание (Fe₃O4+SiO₂) в магнетитовых кварцитах составляет 87-92%. Оксиды Al₂O₃, MgO, CaO, K₂O+Na₂O содержатся в количестве n (0,1-1)%. Незначительную примесь составляют P2O5 (n 0,1%) и SrO (n 0,01%). Содержание S возрастает от богатых (0,03%) к бедным (0,9%) рудам и достигает 7% в силикатных кварцитах. Из всех элементов-примесей в рудах только содержания Mn (n 0,01%) и Ge (n 0,0001%) достигают кларковых значений. Руды содержат низкие концентрации экологически опасных элементов (в %): Zn, Ti - n 0,01; Cr, V, Pb, Ni, Y - n 0,001; Ga, Sc - n (0,001-0,0001); Co, Cu, Ge - n 0,0001; Ag - n (0,00001-0,000001). Содержание Au в рудах - n (1-0,001) г/т. [2] По имеющимся данным, на начало 2000-х годов аэротехногенные выбросы SO₂ предприятия составляли приблизительно 30 тыс. т/год, пыли 7-8 тыс. т/год. [3]

Жилые массивы города Костомукша расположены в десяти километрах к юго-западу от территории КГОКа. При строительстве жилых районов в городе были сохранены участки коренных лесных массивов, поэтому площадь зеленой зоны в городе более 30%. Площадь города составляет 15,5 км², население города на начало 2018 года - 29,4 тыс. человек.

В 30 км к юго-западу от города находится Костомукшский государственный природный биосферный заповедник общей площадью 49,2 тыс. га. Заповедник был создан в 1983 г, основной целью создания являлось сохранение северотаежных лесов европейской части России. До 40-х годов ХХ в. на данной территории располагались небольшие финские деревни и хутора, в настоящее время прямое антропогенное воздействие на охраняемые ПТК практически отсутствует. Кроме того, взаиморасположение заповедника, города и КГОКа таково, что все выбросы рассеиваются в противоположную от заповедника сторону. [4]

Исследования, связанные с воздействием выбросов комбината на различные компоненты окружающей среды, ведутся практически с начала его активной деятельности. С начала 1980-х годов в районе проводятся работы различными институтами Академии наук СССР (сейчас - РАН), научными коллективами С.-Петербургского Горного института, Петрозаводского университета и др. [5], [6], [7] Многолетние наблюдения состояния почв и растительности, включающие анализ биогеохимических характеристик, проводятся кафедрой геоэкологии и природопользования СПбГУ на участках, распложенных на территории Костомукшского государственного природного биосферного заповедника, в городе Костомукша и на территории Костомукшского ГОКа.

Основная часть проводящихся в районе исследований посвящена оценке содержания различных загрязняющих веществ в тех или иных компонентах окружающей среды в ПТК определенного уровня нарушенности - отдельно рассматриваются заповедные экосистемы, отдельно городские территории и территория ГОКа. Однако такая избирательность в выборе объектов исследования не позволяет оценить происходящие в среде изменения в аккумуляции загрязнений. Поэтому для выявления особенностей накопления ТМ почвами Костомукшского региона нами рассматривались ПТК всех уровней нарушенности.

Материалы и методы

Работы проводились в июне 2018 г. на площадках, относящихся к ПТК с разным уровнем нарушенности. В качестве фоновых были выбраны площадки на территории Костомукшского заповедника, расположенные недалеко от станции интегрированного мониторинга. В городе площадки выбирались в зеленых зонах и дворовых териториях, представляющих собой фрагменты исходных природных комплексов. На территории ГОКа площадки устанавливались в фрагментарных лесных сообществах вблизи источников техногенного воздействия. Всего было установлено 14 площадок в заповеднике, 14 площадок в городе и 6 площадок на территории ГОКа.

Пробоотбор почв осуществлялся в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-83. Размер пробных площадок составлял 20х25 м. На каждой площадке методом конверта отбирались пробы почв из горизонтов О (0-10 cм) и ВF (15-25 см). Названия горизонтов почв даны по Классификации почв России 2004 г. [9] На антропогенно нарушенных участках при отсутствии четко выраженного почвенного профиля пробы отбирались с глубины 0-5 см и 5-15 см. Для анализа вертикальной и латеральной миграции ТМ в почвах на нескольких площадках были заложены почвенные разрезы, пробы из которых отбирались по каждому горизонту. Всего было отобрано 66 проб почв из поверхностных горизонтов и 34 пробы почв из почвенных разрезов.

Определение подвижных форм ТМ в почвах проводилось с использованием почвенной вытяжки аммонийно-ацетатным буфером (pH=4,8) на атомно-абсорбционном спектрометре NOVAA-315. Анализ валового содержания тяжелых металлов в почвах проводился методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) на приборе «ELAN-6100 DRC» с полным кислотным разложением проб по ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98. При обработке результатов измерений использовалась компьютерная программа обработки данных «TOTALQUANT», что обеспечивало пределы обнаружения элементов на уровне 0,0002-0,01 г/т. Анализ выполнялся в Центральной лаборатории ВСЕГЕИ им. А.П. Карпинского.

Для характеристики естественных особенностей содержания ТМ в почвах района рассчитывались коэффициент концентрации каждого элемента в изученных почвенных горизонтах (K_k=C_x:K_кларк) и коэффициент аккумуляции (K_a = C_x : ПДК (ОДК)_x), где С_х - концентрация элемента, Kкларк - кларк элемента в почве, ПДК - предельно допустимая концентрация элемента в почве, ОДК - ориентировочно допустимая концентрация элемента в почве.

Результаты и обсуждения

Определение валового содержания ТМ в почвах на территории заповедника (табл.1) показало, что в большинстве исследованных проб из поверхностных горизонтов концентрация Co ниже чувствительности метода.

Таблица 1 - Валовое содержание тяжелых металлов в почвах Костомукшского заповедника, мг/кг [10]

Изучение фоновых почвенных разрезов на подзолах иллювиально-железистых выявило накопление Со в нижних горизонтах BF и ВС. Cd в изученных образцах практически нигде не обнаружен. Исключение составляет единственная проба из поверхностного горизонта, где его содержание составляет 2,58 мг/кг и превышает установленную ОДК (0,5 мг/кг). Это может быть связано с тем, что Cd является очень подвижным элементом и способен переходить в больших количествах из твердой фазы в жидкую. Анализ вертикального распределения концентраций остальных изученных ТМ показал, что Cu распределяется по всему почвенному профилю равномерно, Mn, Pb и Zn в большинстве изученных почв тяготеют к верхним горизонтам, а Fe, Ba, Ni и Cr активно накапливаются в иллювиальных горизонтах.

Вместе с тем необходимо отметить естественный низкий региональный уровень содержания большинства изученных металлов в почвах по сравнению с кларками, что подтверждается рассчитанными коэффициентами концентрации ТМ для почвенных разрезов. Исключение составляют только Zn и Ba, концентрации которых в отдельных пробах из горизонта BF достигают кларка (табл. 2).

Таблица 2 - Значения K_k тяжелых металлов в почвах заповедника

Большинство изученных почв содержит ТМ в концентрациях ниже предельно допустимых. Это справедливо для всех изученных горизонтов в ненарушенных почвах. Исключения отмечены только для Zn и Ni, концентрации которых в отдельных пробах близки или даже незначительно превышают нормативы.

Анализ валового содержания ТМ в почвах городской зоны и территории комбината показал резкое увеличение концентраций большинства изученных элементов как в поверхностных горизонтах, так и в иллювиальных (табл. 3). В частности, на всех площадках и в черте города, и в зоне ГОКа активно накапливается Со. Единственный металл, концентрации которого в почвах заповедника выше, это Zn. Несмотря на это, его концентрация превышает ОДК во всех исследованных почвах.

Для ряда металлов отмечается изменение в характере распределения по горизонтам в сравнении с фоновыми почвами. Так Cu в городских почвах активно накапливается в поверхностных горизонтах, а в почвах ГОКа верхние горизонты обогащены Fe и Ni. Эти изменение связаны, скорее всего с прямым поступлением металлов с пылевыми выбросами от комбината и городского транспорта. Одновременно стоит отметить, что в большинстве почв комбината Pb активно накапливается именно в иллювиальном горизонте.

Таблица 3 - Валовое содержание тяжелых металлов в почвах г.Костомукша и КГОКа, мг/кг

Анализ пространственного распределения загрязнений ТМ по территории города и ГОКа выявил несколько наиболее загрязненных участков, где содержания большинства изученных элементов резко возрастают. На территории ГОКа такой является площадка вблизи железнодорожной ветки, среди исследованных городских площадок наибольшее загрязнение поверхностных горизонтов почв отмечено во дворах жилых домов в центре и в юго-восточной части города.

Кроме того, в почвах этих площадок отмечены изменения в распределении ТМ по горизонтам в сравнении с фоновыми территориями. Так на площадках, расположенных в городе, такие металлы как Cr, Co, Ni, Zn, Cd, Pb сосредоточены в верхних горизонтах почв, что можно объяснить поступлением металлов из атмосферы от мобильных и стационарных источников. На территории ГОКа изменение накопления ТМ имеет более сложный характер, часть элементов закрепляется в верхних горизонтах (V, Cr, Cu, Fe), а другие, наоборот, активно накапливаются в нижних (Zn, Cd, Pb, Mn). Это связано с загрязнением поверхностных горизонтов в результате постоянного поступления металлов из атмосферы с газопылевыми выбросами от карьера, комбината и железнодорожного транспорта, а также с нарушением почвенного профиля при разработке и обустройстве территории.

Для анализа вертикальной и латеральной миграции ТМ в зоне антропогенного воздействия были проанализированы пробы из почвенных разрезов, расположенных в 5 км к юго-западу от территории КГОКа (табл. 4).

Таблица 4 - Валовое содержание ТМ в почвенных разрезах возле КГОКа, мг/кг

Выявлено отличие в распределении ряда элементов по горизонтам от фоновых территорий. В частности, в поверхностных горизонтах данных разрезов идет накопление Fe, Pb, Ni и Cd, во всех горизонтах увеличивается содержание Co, в иллювиальных горизонтах идет активное накопление Mn. Накопление Zn в почвах имеет неустойчивый характер и зависит от положения в рельефе. Для остальных металлов характерно быстрое вымывание из поверхностных горизонтов, миграция и накопление именно в нижележащих иллювиальных горизонтах.

Исследования содержания подвижных форм ТМ в фоновых почвах на территории Костомукшского заповедника позволили выделить две группы металлов (табл. 5).

Таблица 5 - Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах, мг/кг [11]

Первая группа, объединяющая Mn, Zn, Cd, Pb и Ni, характеризуется преимущественным накоплением в поверхностных горизонтах почв и резким снижением концентраций в иллювиальных горизонтах. Вторая группа включает Fe, Cо и Cr, чьи концентрации, наоборот, возрастают в иллювиальных горизонтах. Стоит отметить, что несмотря на различия в аккумуляции содержание подвижных форм большинства ТМ в почвах заповедника существенно ниже ПДК. Исключение составляет только Mn, концентрации которого в поверхностных горизонтах превышают ПДК в 3 раза Степень подвижности ТМ зависит от формы рельефа, а также от почвенного горизонта. В поверхностных горизонтах исследованных почв подвижность элементов выше, чем в иллювиальных. Это может быть обусловлено влиянием атмосферных осадков, а также возможным аэротехногенным переносом.

Заключение

Проведенные исследования подтвердили низкий природный региональный уровень валового содержания большинства изученных металлов в ненарушенных почвах по сравнению с кларками. Концентрации этих ТМ ниже предельно допустимых во всех почвенных горизонтах в фоновых природных комплексах. Исключения отмечены только для Zn и Ni, концентрации которых в отдельных пробах близки или даже незначительно превышают нормативы. На территориях, подверженных антропогенному воздействию происходит не только резкое увеличение концентраций большинства изученных ТМ, но и изменения в их аккумуляции различными горизонтами почв.

По распределению подвижных форм тяжелых металлов в почвенном профиле выделены две группы элементов. Металлы первой группы накапливаются в поверхностных горизонтах почв, тогда как металлы, относящиеся ко второй группе, тяготеют к более глубоким горизонтам.

Список литературы

1.Официальная статистическая информация ПАО «Северсталь» [Электронныйресурс] - URL.: http://karelskyokatysh.severstal.com/rus/customers/products/index.phtml (дата обращения: 23.11.2019).

2.Галахина Н.Е. Оценка воздействия предприятий горнодобывающей железорудной промышленности на водную среду с учетом природно-техногенных факторов формирования вод : дисс. … канд. хим. наук : 03.02.08 : защищена 18.04.18 : утв. 10.08.18 / Галахина Наталия Евгеньевна. - Петрозаводск: Ин-т водных проблем Севера КНЦ РАН, 2016. - 160 с.

3.Пантелеева Я.Г. Геохимические изменения окружающей среды в зоне влияния горнопромышленного комплекса ОАО “Карельский окатыш” : дисс. … канд. геол.-мин. наук : 25.00.09 : защищена 16.10.2009 : утв. 23.04.2010 / Пантелеева Яна Геннадьевна. - СПб: СПбГорный Университет, 2009. - 242 с.

4.Арестова И.Ю. Мониторинговые исследования фоновых территорий Костомукшского заповедника / Арестова И.Ю., Опекунова М.Г., Елсукова Е.Ю., Кукушкин С.Ю. // «Роль научно-исследовательской работы в управлении и развитии ООПТ» - Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 50-летию со дня образования Байкальского государственного природного биосферного заповедника (пос. Танхой, 14-15 октября 2019 г.). - Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2019 г. - с. 28-32.

5.Германова Н.И. Динамика биологической активности лесных почв в зоне действия Костомукшского ГОКа / Германова Н.И., Медведева М.В. // Биоэкологические аспекты мониторинга. Петрозаводск: КНЦ РАН, Институт леса, 2001. -- с. 192-201.

6.Федорец Н.Г. Воздействие эмиссий Костомукшского горно-обогатительного комбината на лесные подстилки сосняков в северотаежной подзоне Карелии / Федорец Н.Г., Солодовников А.Н. // Труды Карельского научного центра РАН, № 6. - с. 143-152.

7.Виноградова А.А. Антропогенная нагрузка на экосистемы Костомукшского природного заповедника: Атмосферный канал. / Виноградова А.А., Иванова Ю.А. // М., Изд-во Физматлит, 2013. - 84 с.

8.Новиков С.Г. Содержание тяжелых металлов в почвах города Костомукши / Новиков С.Г. // Современные проблемы науки и образования (электронный научный журнал), 2016, № 5.

9.Шишов Л.Л. Классификация и диагностика почв России / Л.Л. Шишов, В.Д. Тонконогов, И.И. Лебедева, М.И. Герасимова. - Смоленск: Ойкумена, 2004. - 342 с.

10.Елсукова Е.Ю. Биогеохимический мониторинг особо охраняемых природных территорий на примере Государственного природного заповедника “Костомукшский”/ Елсукова Е.Ю., Опекунова М.Г., Арестова И.Ю., Кукушкин С.Ю, Карандашева Н.И., Решетняк В.А. // Актуальные вопросы биогеографии: Материалы международной конференции (Санкт-Петербург, Россия, 9-12 октября 2018г.). - Санкт-Петербургский государственный университет. СПб, 2018.- с. 130-132.

11.Elsukova E. Ecological monitoring of special protected areas by the example of Kostomuksha Nature Reserve / Elsukova E., Opekunova M., Arestova I., Kukushkin S. // International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM 17, Water Resources. Forest Marine and Ocean Ecosystems. - 2017. P. 805-812.

Размещено на Allbest.ru