Резкое увеличение техногенного давления на природу привело к нарушению экологического равновесия и вызвало деградацию не только среды обитания, но и здоровья людей и животных. Биосфера постепенно утратила свое господствующее значение и в населенных регионах стала превращаться в техносферу. Техногенная нагрузка особенно велика в городах, где высокая плотность населения сочетается с большим количеством промышленных и коммунально-бытовых предприятий, постоянно увеличивающимся автотранспортным парком, газопылевые выбросы которых создают мощные техногенные потоки токсичных веществ на поверхности почв и растений, вызывая их загрязнение.
Тяжелые металлы (ТМ) относятся к числу приоритетных загрязняющих веществ. Находясь преимущественно в рассеянном состоянии, ТМ могут образовывать локальные аккумуляции, где их концентрация в сотни и тысячи раз превышает среднепланетарные уровни. В качестве мощного аккумулятора ТМ и исходного звена в миграции поллютантов по наземным трофическим цепям выступает почва. Она в отличие от других природных сред обладает трансформирующими свойствами по отношению ко многим загрязнителям. ТМ хорошо сорбируются почвой, их соединения длительное время сохраняют высокую подвижность и токсичные свойства. Являясь накопителями техногенных веществ, почвы могут стать вторичным источником загрязнения воздуха, растений, природных вод и вызвать нарастание экологически опасных последствий.
Химическое загрязнение окружающей среды, в том числе и ТМ, особенно возрастающее в крупных промышленных центрах, имеет особую опасность для уязвимой природы Европейского Севера
России.
Города Архангельской промышленной агломерации (Архангельск, Северодвинск, Новодвинск), расположены в устье Северной Двины. Архангельск – крупный научный и промышленный город Европейского Севера России и административный центр Архангельской области ‒ был основан в 1584 году. Главной отраслью промышленности Архангельска является лесная, деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная промышленность, развиты также теплоэнергетика, машиностроительная и добывающая промышленность. Город Северодвинск, основанный в 1938 году, является центром атомного судостроения России. Новодвинск получил статус города в 1977 году, его градообразующим предприятием является Архангельский целлюлозно-бумажный комбинат.
Цель исследования – дать комплексную эколого-аналитическую оценку загрязнения тяжелыми металлами почвенного покрова городов Архангельской промышленной агломерации.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования были выбраны почвы, взятые с 136 пробных площадей (ПП), заложенных в техногенно-антропогенных и природно-антропогенных зонах городов Архангельской промышленной агломерации. Отбор, хранение и транспортировка проб почв, взятых для анализа на ТМ, осуществлялись в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02–84 [1].
На базе лаборатории биогеохимических исследований института естественных наук и биомедицины САФУ в образцах почв методами РФА согласно ПНД Ф 16.1.42–04 [7] и ААС согласно М-МВИ 80–2008 [2] было определено валовое содержание Pb, As, Cd, Hg, Zn, Cu, Ni, Co и Mn. Анализы выполнены с использованием оборудования Центра коллективного пользования научным оборудованием «Арктика» Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, ГК от 29.04.2011 г. № 16.552.11.7023.
Для оценки степени загрязнения почвенного покрова городов ТМ использовали расчетные показатели (Кс, Zc) и шкалы экологического нормирования, предложенные М.В. Никитиной, Л.Ф. Поповой, Т.А. Корельской [6] и С.А. Герасимовой, А.С. Курбатовой, А.Д. Мягковой, др. [5]. Коэффициент концентрации Кс, – показатель, служащий для характеристики и выявления локальных техногенных аномалий, связанных с газопылевыми выбросами промышленных предприятий, их накоплением на урбанизированных территориях:
Кс = С/Со,
где С – фактическая концентрация определяемого компонента в почве, Со – фоновое содержание. В качестве фона была взята условно-чистая природная дерновая маломощная легкосуглинистая почва, сформированная на суходольном лугу в 35 км от г. Архангельска. Суммарный показатель загрязнения Zc – коэффициент, нормативно закрепленный в МУ 2.1.7.730–99 [3] и широко используемый в качестве интегрального показателя, который отражает общий вклад ТМ в загрязнение почв:
где Кс – коэффициент концентрации вещества; n – число анализируемых элементов-загрязнителей.
Картографическое зонирование территорий выполнено с применением ГИС MapInfo Professional 11.0.
Результаты исследования
и их обсуждение
Анализ экспериментальных данных позволил оценить степень загрязнения городских почв Архангельской промышленной агломерации ТМ различного класса опасности (рисунок).
а)
б)
в)
Экологическое зонирование территории городов Архангельской промышленной агломерации
(а – Архангельск; б – Новодвинск; в – Северодвинск) по категории загрязнения почв тяжелыми металлами согласно суммарному показателю техногенного загрязнения Zc.
Установлено, что почвы всех городов агломерации можно считать незагрязненными мышьяком, кобальтом и ванадием.
Все почвы Новодвинска чистые в отношении свинца, ртути, кадмия, меди и марганца, но 7 % ПП слабо загрязнены цинком, 33 % ПП − никелем. Это обусловлено легким (супеси) гранулометрическим составом почв г. Новодвинска, нормативные показатели для которых в связи с низкой поглотительной способностью ниже, чем для почв тяжелого гранулометрического состава.
Почвы Северодвинска можно считать чистыми только в отношении ртути и марганца. На 25 % ПП промышленной и селитебной зон города почвы слабо загрязнены цинком, на 8 % ПП − кадмием. 8 % почв промышленной зоны слабо загрязнены медью, 28 % почв селитебной зоны слабо загрязнены никелем и 6 % − свинцом. 3 % ПП промышленной зоны Северодвинска имеют средний уровень загрязнения почв свинцом. Это обусловлено тем, что при довольно высоком уровне техногенной нагрузки (ВПК, ТЭЦ, работающая на угле, ежегодно увеличивающийся автотранспортный парк), почвы Северодвинска имеют легкий гранулометрический состав (пески и супеси).
В Архангельске наиболее загрязнены ТМ почвы селитебной зоны города [4]. 2 % этих почв имеют слабую степень загрязнения медью и среднюю − ртутью. На 2 % ПП имеются почвы со слабой и сильной степенью загрязнения цинком, сильной и очень сильной степенью загрязнения свинцом. Почвы 9 % ПП селитебной зоны имеют средний уровень загрязнения свинцом, а 20 % ПП зоны городских лугов − высокий уровень загрязнения марганцем. Высокий уровень загрязнения почв селитебной зоны ТМ может быть обусловлен как возрастом застройки и эксплуатации территории (более 400 лет) и тяжелым гранулометрическим составом почв и почвообразующих пород (останцовая морена), так и спецификой антропогенного воздействия, которое заключается в интенсивном использовании автотранспорта, особенно в последние годы. Относительная незагрязнённость почв промышленной зоны, несмотря на большую техногенную нагрузку, объясняется коротким сроком использования этих земель (около 30 лет) и особенностями гранулометрического состава почв. Их высокая опесчаненность и переслоенность приводит к вымыванию ионов металлов и не способствует их кумуляции.
По суммарному показателю загрязнения Zc построены карты экологического зонирования территории городов Архангельской промышленной агломерации (см. рисунок). Для г. Архангельска составлена карта экологического зонирования территории селитебной зоны города.
Согласно среднему значению Zc почвы городов Архангельской промышленной агломерации по степени загрязнения их ТМ можно расположить в следующий убывающий ряд: Архангельск19,2 → Северодвинск9,0 → Новодвинск3,6. Почвы Новодвинска и Северодвинска имеют допустимую степень загрязнения ТМ (по валовому содержанию), а почвы Архангель-
ска – умеренно опасную. Однако на территории каждого города встречаются довольно загрязненные ТМ почвы. Так, 3 % почв Новодвинска и 11 % почв Северодвинска имеют умеренно опасную степень загрязнения ТМ, 6 % почв Северодвинска и 30 % почв селитебной зоны Архангельска имеют опасную степень загрязнения ТМ и 4 % почв селитебной зоны Архангельска имеют очень опасную степень загрязнения ТМ.
Таким образом, для почв городов Архангельской промышленной агломерации характерно полиметаллическое загрязнение почв. Основными поллютантами Новодвинска являются Zn и Ni; Северодвинска −
Pb, Ni, Zn, Cu и Cd; Архангельска − Pb, Zn, Hg, Cu и Mn. Степень загрязнения почв городов Архангельской промышленной агломерации ТМ обусловлена как сроком техногенной эксплуатации территории, так и гранулометрическим составом почв. Почвы Новодвинска и Северодвинска имеют допустимую степень загрязнения ТМ (по валовому содержанию), а почвы Архангельска − умеренно опасную.
Телешев А.Т., д.х.н., профессор кафедры физической и аналитической химии химического факультета ФГБОУ ВПО «Московский педагогический государственный университет» Министерства образования и науки Российской Федерации, г. Москва;
Наквасина Е.Н., д.с.-х.н., профессор кафедры лесоводства и почвоведения Лесотехнического института Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова Минобрнауки РФ, г. Архангельск.
Работа поступила в редакцию 26.10.2012.