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.