Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

АККУМУЛЯЦИЯ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ Г. КАЛИНИНГРАДА

Масленников П.В. 1 Скрыпник Л.Н. 1
1 ФГАОУ ВПО «Балтийский федеральный университет им. И. Канта»
Наиболее сильно техногенное воздействие на природную среду и население проявляется в крупных промышленных городах, которые по интенсивности и площади аномалий загрязняющих веществ представляют собой техногенные и биогеохимические провинции. В спектре загрязняющих веществ городской среды тяжелые металлы занимают значительное место, поскольку, не подвергаясь существенной физико-химической и биологической деградации, они накапливаются в поверхностном слое почв, в течение длительного времени остаются доступными для корневого поглощения растениями и активно включаются в процессы миграции по трофическим путям. Цель настоящей работы – исследовать накопление металлов в городских почвах основных геохимических ландшафтов городской среды. В работе представлены результаты исследования накопления металлов (Cu, Pb, As, Co, Cr, V, Zn, Mn, Sr, Ni, Са, Fe) в аккумулятивном горизонте почв основных функциональных зон г. Калининграда (агроселитебный ландшафт, селитебный, промышленно-коммунальный). В качестве контроля использовался – ландшафт рекреации и отдыха (фоновое содержание). Содержание металлов в пробах определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа на приборе «Спектроскан Макс - G». В городских почвах выявлено значительное превышение фоновых концентраций свинца, марганца, цинка, меди, стронция и никеля (Pb>Cu>Zn>Mn>Sr>Ni). Максимальное содержание поллютантов в городских почвах наблюдалось в промышленных и селитебных многоэтажных зонах с повышенной транспортной нагрузкой. Показано, что наибольшее влияние на распределение металлов в аккумулятивном горизонте оказывает рН почвы.
загрязнение окружающей среды
тяжелые металлы
почва
функциональные городские зоны
1. Ващейкин А.С., Садовников П.В., Куркина М.В., Дедков В.П. О содержании тяжелых металлов в почвогрунтах урбанизированных экосистем Калининграда // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. – 2014. – № 1. – С. 86-92.
2. Головатый С.Е., Лукашенко Н.К, Ковалевич З.С. Содержание миграционно-активных форм свинца в дерново-подзолистых и торфяных почвах // Экологический вестник: научно-практический журнал. – 2010. – № 3. – С. 15-23.
3. Дедков В.П., Масленников П.В., Гребенев Н.Н. Содержание антоцианов как показатель нефтяного загрязнения растений и растительных сообществ дюн Куршской косы // Вестник Российского государственного университета им. И. Канта. – 2006. – № 1. – С. 102-108.
4. Куркина М.В., Дедков В.П., Уманский А.С. Характеристика почвенно-растительного покрова экосистем Калининградского полуострова // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. – 2013. – № 1. – С. 114-119.
5. Масленников П.В. Экологические аспекты накопления антоциановых пигментов в растениях : автореф. дис. ... канд. биол. наук. – Калининград, 2003.
6. Масленников П.В., Чупахина Г.Н., Дедков В.П., Куркина М.В., Садовников П.В., Мельник А.С. Аккумуляция цинка в растениях урбоэкосистем Калининграда // Растительные ресурсы. – 2014. – Т.50. – № 4. – С. 83-98.
7. Методика выполнения измерения массовой доли металлов и оксидов металлов в порошковых пробах почв рентгенофлуоресцентным методом. М049-П/10. СПб.: ООО НПО «Спектрон», 2010. – 17 с.
8. Неверова O.A. Применение фитоиндикации в оценке загрязнения окружающей среды // Биофизика. – 2010. – Т.1, № 1. – С. 82-92.
9. Панасин В.И., Рымаренко Д.А. Почвенно-агрохимические аспекты распространения микроэлементов в агроландшафтах // Известия Калининградского государственного технического университета. – 2013. – № 31. – С. 177-184.
10. Станченко Л.Ю. Распределение тяжелых металлов в почвах и растительности городских экосистем Калининградской области // Вестник Российского государственного университета им. И. Канта. – 2009. – № 1. – С. 81-85.
11. Чупахина Г.Н., Масленников П.В., Скрыпник Л.Н., Фролов Е.М. Оценка антиоксидантного статуса растений различных экологических групп Куршской косы // Вестник Российского государственного университета им. И. Канта. – 2010. – № 7. – С. 77-83.
12. Чупахина Г.Н., Масленников П.В., Скрыпник Л.Н. Природные антиоксиданты (экологический аспект) : монография. – Калининград: Изд-во БФУ им. И. Канта, 2011.
13. Чупахина Г.Н., Масленников П.В., Мальцева Е.Ю., Фролов Е.М., Бессережнова М.И. Антиоксидантный статус растений в условиях загрязнения кадмием городской среды // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. – 2011. – № 7. – С. 16-23.
14. Чупахина Г.Н., Масленников П.В., Скрыпник Л.Н., Бессережнова М.И. Реакция пигментной и антиоксидантной систем растений на загрязнение окружающей среды г. Калининграда выбросами автотранспорта // Вестник Томского государственного университета. Биология. – 2012. – № 2. – С. 171-185.
15. Шарифзянов Р.Б. Факториальная зависимость содержания тяжёлых металлов в древесных насаждениях на урбанизированной территории // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Сер. Общая биология. – 2011. – № 2. – С. 161-164.
Урбанизацию можно охарактеризовать как глобальный социально-экономический процесс, сопровождающийся глубоким антропогенным изменением природной среды, заменой естественных экосистем урбоэкосистемами. Наиболее сильно техногенное воздействие на природную среду и население проявляется в крупных промышленных городах, которые по интенсивности и площади аномалий загрязняющих веществ представляют собой техногенные и биогеохимические провинции [6; 8;14].

В спектре загрязняющих веществ городской среды тяжелые металлы (ТМ) занимают значительное место, поскольку, не подвергаясь существенной физико-химической и биологической деградации, они накапливаются в поверхностном слое почв, в течение длительного времени остаются доступными для корневого поглощения растениями и активно включаются в процессы миграции по трофическим путям. Поступив в почву, ТМ распределяются в ней между твердой и жидкой фазами. В жидкой фазе (почвенном растворе) ТМ присутствуют в виде гидратированных свободных ионов или растворимых минеральных, органо-минеральных комплексов и являются наиболее мобильными и доступными для поглощения корнями растений. В твердой фазе они находятся в обменно- и необменно-связанном состоянии, входят в состав тонкодисперсных минеральных частиц и гумусового вещества, поглощаются аморфными и окристаллизованными гидроксидами Fe, Mn и Al, являются составной частью малорастворимых соединений [2;13].

Тяжелые металлы при избыточном попадании в объекты окружающей среды ведут себя как токсиканты и экотоксиканты. При этом к токсикантам относятся элементы и соединения, оказывающие вредное воздействие на отдельный организм или группу организмов, а экотоксикантами являются элементы или соединения, негативным образом воздействующие не только на отдельные организмы, но и на экосистему в целом [3]. К ряду ТМ относятся такие токсичные металлы, как кадмий, свинец, никель, хром, ртуть, мышьяк и др. В состав ТМ также входят металлы, жизненно необходимые для минерального питания растений (цинк, железо, марганец, медь). Однако при повышенных содержаниях в растениях и жизненно необходимые металлы становятся опасными [5; 11; 12; 15].

Изучение накопления ТМ в важнейшем компоненте урбоэкосистемы -  почвах позволяет получить реальное представление об интенсивности процессов техногенеза и основных миграционных потоках этих токсикантов на урбанизированной территории.

Цель настоящей работы - исследовать накопление металлов в городских почвах основных геохимических ландшафтов городской среды.

Материал и методика исследования. В работе исследовалось накопление металлов (Cu, Pb, As, Co, Cr, V, Zn, Mn, Sr, Ni, Са, Fe) в аккумулятивном горизонте почв г. Калининграда. Район исследования - основные геохимические ландшафты областного центра.  В качестве контрольного использовались ландшафты рекреации и отдыха, обладающие минимальной техногенной нагрузкой и природным фоновым уровнем поллютантов. Удаленность фоновых участков - 40-50 км от крупных промышленных источников загрязнения окружающей среды (г. Светлогорск).

Отбор почвенных проб проводился из верхнего аккумулятивного горизонта мощностью от 0 до 10 см методом конверта [1;10]. Содержание металлов в пробах определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа на приборе «Спектроскан Макс-G» (ООО НПО «Спектрон», Россия). Образцы почв для анализа подготавливали в соответствии с методикой М049-П/10 [7]. Содержание металлов определялось в сухих не озоленных пробах,  измельченных с помощью дискового истирателя ЛДИ-60М до крупности частиц 71 мкм. Анализ проводился в трехкратной биологической повторности. Полученные данные обработаны статистически, данные на графиках и таблицах представлены в виде средних арифметических значений и их стандартных ошибок. Статистическая значимость различий между вариантами определяли с помощью t-критерия Стьюдента (р ≤ 0,05). Корреляционный анализ проводили с помощью критерия Пирсона.

Полученные результаты и их обсуждение.  Почва служит естественным барьером на пути ТМ, сдерживая их поступление в растения и миграцию в сопредельные среды. Поэтому наиболее пристального внимания заслуживает установление количественных параметров содержания элементов в почвах - начальном звене пищевой цепи. В миграции химических элементов важны техногенные условия изучаемых городских ландшафтов. В связи с этим содержание металлов анализировалось в аккумулятивном горизонте почв основных функциональных зон города (агроселитебный ландшафт, селитебный, промышленно-коммунальный). В качестве контроля использовался ландшафт рекреации и отдыха.

Селитебная зона (СЛ), занимает до 27 % (2833 га) и на её территории формируются техногенные педогеохимические аномалии, контрастность которых зависит от высоты и расположения сооружений. Жилые здания служат механическим барьером на пути воздушных потоков и напрямую влияют на особенности поступления, перемещения, накопления и выноса загрязняющих химических элементов [10]. Агроселитебный ландшафт (АСЛ) включает индивидуальную застройку в сочетании с приусадебными участками (дачи, садовые и огородные участки), его доля в структуре городских территорий весьма существенна и составляет 15 % (2398 га) [10].  Промышленно-коммунальные и транспортные территории (ПКиТЛ) занимают 15 % городской площади (2430 га). Ландшафты предприятий характеризуются сильной деградацией биологического круговорота веществ - источником техногенной эмиссии и аккумуляции поллютантов [10]. Ландшафты рекреации и отдыха (ЛРО) испытывают наименьшую атмотехногенную нагрузку, в них еще велика роль биогенной миграции. В Калининграде они занимают 16 % и располагаются в центре, и на окраинах города.

В последнее время изучению состояния почвенного покрова городских экосистем отводиться все большее внимание [2]. Известно, что на миграцию химических элементов существенное влияние оказывают тип почвы и её физико-химические параметры [10]. В настоящее время почвенный покров урбоэкосистем г. Калининграда подвержен серьезным изменениям. По степени антропогенной трансформации почвы г. Калининграда относятся к поверхностно преобразованным урбопочвам, глубоко преобразованным урбаноземам и искусственно созданным техноземам.  На территориях лесопарков и старых парковых насаждений еще сохраняются естественные почвы разной степени нарушенности. Значительные территории города распаханы и заняты агроземами - дерново-подзолистыми, слабоподзолистыми, а также дерново-глеевыми почвами разной степени окультуренности [4].

Образцы гумусово-аккумулятивного горизонта, отобранные на территории города, по гранулометрическому составу представляют собой в основном пески или супеси. По окислительно-восстановительным условиям миграции тяжелых металлов участки ЛРО, СЛ, ПКиТЛ  представлены геохимическими ландшафтами с окислительными условиями, АСЛ - ландшафтами с восстановительной обстановкой. По кислотно-щелочным условиям: рНКСl городских почв - слабощелочная (7-8); рНКСl контрольного участка (ЛРО) - нейтральная (6-7). C учетом геоморфологических особенностей исследовательские участки представлены: СЛ - трансэлювиальными геохимическими ландшафтами; ПКиТЛ - трансаккумулятивными; ЛРО, АСЛ - элювиальными ландшафтами.

Для оценки степени загрязнения городских почв металлами исследовался фоновый уровень поллютантов. Природное содержание металлов в почвах и растениях Калининградской области изучено не достаточно, причина тому - отсутствие систематических исследований, единых методов анализа, не полное описание районов наблюдения и периодов осреднения концентраций [9;10].  В связи с этим  условно фоновые концентрации металлов в почвах и растительности определяли с помощью фоновых аналогов. Данные по содержанию фоновых концентраций металлов и их уровень в почвах, подверженных городскому атмотехногенному загрязнению, представлены в табл.1-2.

Таблица 1

Содержание металла (мг/кг) в аккумулятивном горизонте почв (0-10 см) различных функциональных зон г. Калининграда (n=9, p<0.05)

Тип ландшафта

 

Элемент, мг/кг

Sr

Pb

As

Zn

Cu

Ni

ЛРО

30,6±3,5

18,4±2,0

7,8±0,7

49,4±0,5

20,3±0,2

9,1±0,9

АСЛ

36,3±3,9

23,7±2,4

8,6±0,9

108,2±10,5

25,6±2,4

17,1±1,8

АСЛ

40,2±3,9

29,4±2,9

9,5±0,9

128,6±12,9

31,2±3,1

20,2±1,9

СЛ

47,7±4,8

48,6±4,3

11,6±1,8

98,7±10,8

30,4±3,0

13,1±1,4

СЛ

53,8±5,2

52,7±5,3

10,2±0,9

125,7±12,6

39,5±4,0

16,8±1,7

ПКиТЛ

57,4±5,8

75,6±8,2

9,8±0,9

147,5±14,8

34,4±3,6

14,6±1,6

ПКиТЛ

73,5±7,6

86,7±8,9

14,3±1,5

135,8±13,6

48,2±4,5

19,8±1,7

ПКиТЛ

80,6±8,9

108,4±10,8

12,5±1,6

154,7±11,8

73,2±6,7

21,4±1,5

Примечание: ЛРО - Ландшафты рекреации и отдыха (фон); СЛ - Селитебный ландшафт, ПКиТЛ - Промышленно-коммунальный и транспортный ландшафт.

Показано, что в образцах почв г. Калининграда выявлено значительное превышение фоновых значений свинца, цинка, меди, марганца, стронция и никеля. Распределение указанных элементов в составе почвенных аномалий по коэффициенту концентрации образует убывающий ряд: Pb>Cu>Zn>Mn>Sr>Ni. Максимальное содержание поллютантов наблюдалось в промышленных и селитебных многоэтажных зонах с повышенной транспортной нагрузкой (ПКиТЛ). Концентрация металлов в верхнем слое почвы ПКиТЛ превышала фоновый показатель: Pb - в 5,9 раза, Cu - в 3,6 раза, Zn - в 3,1 раза, Mn и Sr  - в 2,6 раза, Ni в 2,4 раза. В селитебной зоне (СЛ) содержание Pb, Mn, Zn, Sr, Cu и Ni  в аккумулятивном горизонте почв было ниже, но также превосходило их фоновый уровень в среднем в 1,4-2,9 раза. Максимальные концентрации Cr и V отмечены для агроселитебных, селитебных малоэтажных зон (АСЛ). Содержание металлов в пробах почв агроселитебной зоны было выше фона: хрома в 2,0 раза, ванадия - в 3,4 раза. Содержание Pb, Sr и Cu в агроселетебной зоне было минимальным, содержание других металлов превышало фон: Mn - в 1,8; Ni - в 2,2; Zn - в 2,6 раза.

Таблица 2

Содержание металла (мг/кг) в аккумулятивном горизонте почв (0-10 см) различных функциональных зон г. Калининграда (n=9, p<0.05)

Тип ландшафта

Элемент, мг/кг

Co

Fe2O3

MnO

Cr

V

CaO

ЛРО

3,9±0,4

<НПКО

236,8±24,2

33,6±3,8

20,3±2,4

<НПКО

АСЛ

4,9±0,5

<НПКО

321,7±31,4

67,1±6,5

69,4±6,8

<НПКО

АСЛ

4,8±0,5

<НПКО

421,2±41,6

54,4±5,5

51,3±5,0

<НПКО

СЛ

5,1±0,5

<НПКО

571,6±56,3

36,2±3,8

12,6±1,3

<НПКО

СЛ

5,3±0,5

<НПКО

592,8±57,2

40,4±4,1

18,7±1,9

<НПКО

ПКиТЛ

5,7±0,6

<НПКО

612,7±62,4

42,7±4,8

22,6±2,4

<НПКО

ПКиТЛ

5,5±0,6

<НПКО

427,8±43,4

48,6±4,8

34,7±3,6

<НПКО

ПКиТЛ

5,1±0,7

<НПКО

624,2±70,3

38,3±4,3

26,4±2,7

<НПКО

Примечание: ЛРО - Ландшафты рекреации и отдыха (фон); СЛ - Селитебный ландшафт, ПКиТЛ - Промышленно-коммунальный и транспортный ландшафт.

Coдержание Co и As в пробах почв разных участков варьировало незначительно и не имело достоверных различий по сравнению с фоном. Содержание оксида кальция и железа в почвенных пробах было ниже предела количественного определения. Анализ накопления металлов в аккумулятивном почвенном горизонте выявил высокую положительную корреляционную зависимость между содержанием в почве отдельных элементов. Показана высокая корреляция между содержанием в почве Pb и Sr (r ≈ 0,98), Pb и Cu (r ≈ 0,90), Pb и As (r ≈ 0,81). Между содержанием других элементов и накоплением Pb в почве степень сопряженности уменьшалась (Co/Mn/Zn, r ≈ 0,76-0,67). Для Co и Ni отмечена высокая корреляция между их содержанием и накоплением Zn в почве (r ≈ 0,82-0,84). Для Cu и As - высокая корреляция между их содержанием и накоплением Sr (r ≈ 0,87-0,93). Высокая положительная корреляционная зависимость выявлена между содержанием Cr и V (r ≈ 0,96).

Накопление тяжелых металлов в аккумулятивном горизонте городских почв зависит не только от техногенной нагрузки среды, но и от физико-химических параметров депонирующей поверхности почвенного горизонта. Наибольшее влияние на распределение металлов в аккумулятивном почвенном слое оказывает рН. Исследования кислотно-щелочных условий показали, что  рН почвенного раствора пробных участков - слабощелочная (7-8); рН контрольного участка - нейтральная (6-7).  В целом реакция почвенного раствора городских ландшафтов и исследовательских участков отражает тенденцию к подщелачиванию городских почв. Уже сейчас для  88,0 % городской территории г. Калининграда характерна слабощелочная реакция почвенного раствора (7,5-8,0). И только 10,0 % городских почв имеют слабокислый рН (5,5-6,5), а 2,0 % почв имеют нейтральную реакцию [10].

Переход от фоновой кислой среды к слабо и средне щелочным значениям рН, вследствие процессов карбонитизации почв г. Калининграда, приводит к формированию щелочного геохимического барьера и к связыванию многих металлов-поллютантов в труднорастворимые карбонаты. Вынос и миграционная способность Pb, Ni, Сu, Cr, Cd в таких условиях сильно нарушается, что и приводит к их аккумуляции в верхнем почвенном горизонте, вызывая трансформацию почвенно-геохимической структуры урбоэкосистем г. Калининграда. Для свинца такая зависимость между рН и накоплением в аккумулятивном почвенном слое почти линейна [10], что в целом объясняет его наибольшую активность в накоплении в почве, по сравнению с другими металлами.

Заключение. Поступление ТМ с техногенными выбросами - существенный фактор загрязнения урбоэкосистем, о чем свидетельствуют данные по их аккумуляции в почвенном аккумулятивном горизонте. О выраженном техногенном загрязнении городских почв свидетельствует значительное превышение в них фоновых концентраций свинца, марганца, цинка, меди, стронция и никеля. Распределение указанных элементов в аккумулятивном почвенном горизонте по коэффициенту концентрации образует убывающий ряд: Pb>Cu>Zn>Mn>Sr>Ni. Максимальное содержание поллютантов в городских почвах наблюдалось в промышленных и селитебных многоэтажных зонах с повышенной транспортной нагрузкой.

Накопление тяжелых металлов в аккумулятивном горизонте городских почв зависит не только от техногенной нагрузки среды, но и от физико-химических параметров депонирующей поверхности почвенного горизонта. Наибольшее влияние на распределение металлов в аккумулятивном почвенном слое оказывает рН. Переход от фоновой кислой среды к слабо и средне щелочным значениям рН, вследствие процессов карбонитизации почв г. Калининграда, приводит к формированию щелочного геохимического барьера и к связыванию многих металлов-поллютантов в труднорастворимые карбонаты.

Рецензенты:

Никитина С.М., д.б.н., профессор кафедры биоэкологии и биоразнообразия ФГАОУ ВПО «Балтийского федерального университета им. И. Канта», г. Калининград;

Бедарева О.М., д.б.н., зав. кафедрой агропочвоведения и агроэкологии ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», г. Калининград.


Библиографическая ссылка

Масленников П.В., Скрыпник Л.Н. АККУМУЛЯЦИЯ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ Г. КАЛИНИНГРАДА // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 1-1.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=17614 (дата обращения: 03.03.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074