В целом уровень накопления подвижных форм биогенных элементов в верхнем горизонте почв города довольно высок и обеспечивает оптимальный уровень питания как сельскохозяйственных культур, выращиваемых в пределах городской черты, так и растительности, образующей зеленую зону города. При этом необходимо учитывать, что легкий гранулометрический состав, распространенный в заречной части г. Н. Новгорода, и относительно невысокая поглотительную способность почв, наряду с близким залеганием грунтовых вод (3-5 м), могут стать причиной выноса фосфора и калия в грунтовые воды с их последующим удалением за пределы биологического круговорота.

Глава 6. Загрязнение почвенного покрова заречной части

г. Н. Новгорода тяжелыми металлами

В почвах города создается положительный баланс тяжелых металлов, в результате чего практически повсеместно имеет место превышение их фонового содержания (табл. 9).

Доля площадок, на которых содержание свинца в 2 и более раз превышает фоновое, составляет 60% от общего их числа. Максимальный уровень его накопления отмечен в почвах промышленной зоны, где среднее содержание элемента в 6,8 раза, а в наиболее загрязненных точках в 41 раз выше фона. Превышение ПДК на территории с интенсивным воздействием промышленных факторов отмечено на 73% контрольных площадок. По уровню загрязнения почв свинцом ближе всего к промышленной транспортная зона, однако в среднем аккумуляция элемента здесь ниже в два и более раз, а кратность превышения фонового содержания составляет 3,5 и 5,9 единиц в слоях 0-5 и 5-20 см соответственно. Остальные зоны располагаются в порядке убывания накопления Рb в ряду: селитебно-транспортная – рекреационная – селитебная, агротехногенная – естественный ландшафт. Доля подвижных форм свинца, извлекаемых аммонийно-ацетатным буфером с рН 4,8, в среднем составляет 20-23%. Различия между отдельными функциональными зонами незначительны. Исключением являются естественные ландшафты, где значение показателя в верхнем слое достигает 37%, что связано с повышенной естественной кислотностью почв, расположенных за пределами интенсивного влияния техногенных факторов.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Содержание кадмия в почвах Нижегородского заречья в целом низкое: на 80 % обследованных площадок оно находится в пределах 2-х фоновых значений. Тем не менее, в отдельных точках происходит аккумуляция металла до аномально высоких величин, что связано с действием локальных факторов. Наибольшее количество таких площадок (концентрация элемента более 5 фоновых значений) обнаружено в промышленной зоне. Именно в таких точках подвижность кадмия максимальна (54-73%). В селитебно-транспортной, транспортной и рекреационной зонах значение показателя в среднем заметно ниже, однако разброс чрезвычайно высок – от 12 до 70%. Минимальная подвижность кадмия (20-23%), как и уровень варьирования показателя, характерны для почв естественных ландшафтов в пределах городской черты.

Цинк является приоритетным загрязнителем исследуемой территории. Доля площадок с содержанием элемента более 2-х фонов превышает 60 %. Около половины обследованных почв не соответствуют санитарно-гигиеническим требованиям по данному критерию. Дифференциация функциональных зон по распределению цинка выражена более отчетливо, чем для других элементов. В почвах промышленной зоны, где выявлен наибольший уровень содержания элемента, ПДК превышено в 80 % случаев, а средняя концентрация в слоях 0-5 и 5-20 см находится на уровне 10 и 13 фонов соответственно.

Этот факт свидетельствует о промышленном происхождении аккумуляции элемента. Максимальное содержание цинка приурочено к местам размещения отходов (металлолома, осадков очистки сточных вод) – до 326 фоновых значений. Менее критической санитарно-гигиеническая обстановка выглядит при анализе содержания подвижных форм данного металла. В целом количество точек, имеющих превышение ПДК по подвижным формам, составило 30%. При этом максимальную долю площадок, не соответствующих нормативам, также имеет промышленная зона – до 70%. В качестве еще одной особенности распределения цинка в почвах промышленной зоны можно указать на максимальное значение коэффициента вариации (более 120%).

Подвижность цинка также имеет достаточно четкие различия между функциональными зонами. Минимальное значение доли подвижных фракций элемента выявлено в почвах естественных ландшафтов (2-14%). В селитебно-транспортной, селитебной и агротехногенной зонах значение показателя в среднем находилось на уровне 17-22%. Близкий результат получен для рекреационной зоны. Высокая подвижность элемента, достигающая 30%, характерна для почв промышленных площадок и придорожных территорий.

Уровень загрязнения почв города медью также весьма значителен. На 80% обследованных площадок выявлено 2-х кратное и более превышение фона. Максимальное содержание элемента характерно для промышленной зоны, где в среднем фоновый уровень в слоях 0-5 и 5-20 см превышен в 11 и 18 раз соответственно. Несоответствие почв санитарно-гигиеническим нормативам отмечено в 71% случаев. Наибольший уровень аккумуляции, как и в случае с цинком, характерен для почв площадок размещения отходов (гальваношламов). Высокое среднее содержание меди отмечено также в транспортной и селитебно-транспортной зоне.

Рассматривая характер подвижности меди, можно отметить значительно более низкую долю фракций, извлекаемых из пробы аммонийно-ацетатным буфером, по сравнению с другими металлами. В среднем доля подвижных форм находится на уровне 4-10%, а влияние интенсивности антропогенной нагрузки на ее подвижность выражено отчетливее, чем у ранее рассмотренных элементов. Так, доля подвижных форм металла в промышленной зоне в среднем составляет около 11%. Однако, если рассматривать только пробы с содержанием элемента более 100 мг/кг (28,6% выборки), то подвижность в них выше – в среднем 21%. Заметно ниже доля подвижных фракций элемента в транспортной (в среднем 6,1%), селитебной (5,4%) и селитебно-транспортной (5,0%) зонах, что, вероятно, обусловлено относительно небольшим уровнем его поступления и более полным переводом в малоподвижное состояние. Еще ниже (3,7-3,8%) подвижность меди в рекреационной, агротехногенной зонах и на участках естественного ландшафта.

Никель на исследуемой территории не является специфическим загрязнителем, что обуславливает невысокое отклонение его среднего значения от фонового уровня как в целом по исследованной территории, так и по большинству функциональных зон. Уровень поступления элемента может считаться существенным только в пределах промышленной зоны, где его аккумуляция в почве характеризуется 4-х кратным превышением фонового значения. Подвижность никеля в почве близка к аналогичному показателю у меди, причем здесь также можно указать на определенную зависимость доли подвижных фракций элемента от уровня техногенной нагрузки.

Анализ данных по содержанию хрома в почвах различных функциональных зон позволяет сделать выводы, аналогичные ранее рассмотренным металлам: максимальная аккумуляция в промышленной зоне, снижение концентрации в селитебно-транспортной и транспортной зонах, близкое к фоновому уровню содержание в остальных функциональных зонах. Однако уровень накопления элемента не высок, что связано с его слабой эмиссией от промышленных объектов исследуемой территории. Содержание подвижных форм хрома в почвах заречной части Н. Новгорода составляет около 2-8% от концентрации кислоторастворимых форм и слабо зависит от степени и характера техногенной нагрузки.

В целом результаты обследования заречной части г. Н. Новгорода показали, что интенсивность аккумуляции тяжелых металлов в почве убывает в ряду: Zn>Pb>Cu>Ni>Cd>Cr. Максимальный уровень их накопления имеет место в промышленной зоне. За ее пределами содержание почти всех элементов значительно ниже, что свидетельствует о слабом аэральном распространении металлов, обусловленным их преимущественным нахождением в составе фракции пыли, оседающей на незначительном расстоянии от источника выбросов.

Степень подвижности металлов определяется их химическими свойствами, уровнем накопления в почве, а также глубиной химической трансформации почв. Доля подвижных форм металлов, извлекаемых из пробы аммонийно-ацетатным буфером с рН 4,8, убывает в ряду: Сd>>Pb=Zn>Cu=Ni>Cr. Подвижность большинства металлов в почве определяется функциональным использованием территории и уровнем загрязнения. Наибольший уровень подвижности отмечен в почве промышленной зоны для кадмия и цинка.

В качестве основных источников, определяющих уровень поступления в почвы металлов, можно отметить промышленные выбросы, а также отходы производства и потребления. Влияние выбросов хозяйственных объектов распространено на территории города достаточно широко, хотя аномально высокого загрязнения при этом не происходит. При попадании в почву компонентов отходов, содержащих высокие концентрации тяжелых металлов, формируются локальные, преимущественно полиэлементные аномалии, но их распространение ограничено, и большая часть площадок с чрезвычайно высоким уровнем загрязнения сосредоточена в промышленной зоне.

На основе статистической обработки данных по валовому содержанию тяжелых металлов в верхнем слое почвы был сделан анализ распределения значений как в рамках общих по обследуемой площади выборок, так и по функциональным зонам. Ниже в качестве примера представлены гистограммы, характеризующие характер распределение свинца и цинка (рис. 3).

свинец

цинк

Рис. 3. Распределение значений валового содержания металлов

в почвах заречной части г. Н. Новгорода (слой 0-5 см)*

*по оси Х – концентрация загрязнителя, мг/кг; по оси У – частота встречаемости признака

При определении показателей описательной статистики для минимизации влияния отдельных аномальных данных на статистические параметры из выборки были исключены даты, выходящие за границы диапазона Хср.±2σ. Как показывает рисунок 3, распределение свинца имеет ярко выраженную асимметрию в правой части, обусловленную наличием на изучаемой территории значительного количества площадок с повышенной концентрацией элемента. График имеет один четкий пик в диапазоне 10-20 мг/кг, являющийся, очевидно, характеристикой антропогенного фона на изучаемой территории. Следует отметить, что понятие «антропогенный фон» не является общепринятым. Чаще всего под фоном понимают концентрацию, определенную на участках с отсутствием выраженной техногенной нагрузки (природный фон). Сравнение с таким значением позволяет оценить влияние всего комплекса антропогенных факторов, действующих в пределах городской черты. Однако в природоохранной практике часто возникает ситуация, когда необходимо вычленить долю влияния конкретного источника загрязнения. В таком случае более объективным является сравнение с антропогенным фоном, то есть таким уровнем содержания металлов, который сформировался на территории под влиянием совокупного действия преимущественно атмотехногенных источников. Таким образом, определение антропогенного фона не менее актуально, чем природного.

В настоящее время при определении фоновых концентраций, как правило, используют среднее арифметическое значение. Такой подход приемлем только при определении природного фона, когда признак распределен нормально. В условиях антропогенного воздействия характер распределения меняется, в связи с чем адекватной характеристикой фонового уровня можно считать середину модального класса. В частности, антропогенный фон валового содержания свинца в верхних 5 см почвы – 15 мг/кг.

Возвращаясь к анализу гистограммы распределения свинца, следует отметить, что в ее правой части имеется три слабых пика в диапазонах 100-110, 150-160 и 190-200 мг/кг, относящихся к отдельным функциональным зонам города. Данные статистических исследований с использованием коэффициентов асимметрии и эксцесса, а также критериев Колмогорова, омега-квадрат и хи-квадрат, четко указывают на анормальное распределение значений.

Анализ данных по функциональным зонам показал аналогичную картину: в зонах с выраженным антропогенным влиянием распределение выборочных значений содержания тяжелых металлов отличается от нормального, при этом формируется явно выраженная асимметрия (гистограмма сдвинута в область высоких значений), а также несколько пиков – самый выраженный соответствует антропогенному фону; менее выраженные (в правой части гистограммы) – определенным комплексам техногенных факторов, обусловившим ту или иную аномалию.

При изучении послойного распределения тяжелых металлов от поверхности до глубины 100 см было обнаружено, что ведущим фактором в распределении металлов в профиле городских почв является их антропогенное преобразование (механическое или химическое). Механическая трансформация является причиной нарушения закономерного распределения металлов, что чаще всего происходит в районах жилищного и частично дорожного строительства. Химическое преобразование почв (нейтрализация, накопление органического вещества различного происхождения) чаще всего становится причиной аккумуляции металлов в верхнем слое. В отдельных случаях, когда степень антропогенной трансформации почв невелика, а почвенные характеристики не препятствуют миграции металлов, их распределение по профилю определяют естественные почвенные процессы (выщелачивание, лессивирование), обуславливающие формирование второго максимума их концентрации на определенной глубине.

В экспериментальных исследованиях загрязнения почв промышленных зон и Автозаводского района металлами принимала участие асп. (Смирнова, Гогмачадзе, Дабахов, 2005; Смирнова, 2005).

Глава 7. Принципы и методы анализа данных по загрязнению

городских территорий

Использование расчетных интегральных показателей при оценке степени загрязнения почвы. Традиционно использующаяся методология оценки степени загрязнения земель основана на применении предельно допустимых значений (ПДК, ОДК) содержания элементов в почвах и обобщении полученных результатов в рамках расчета суммарного коэффициента концентрации Zc. Однако эта система не соответствует условиям, складывающимся на урбанизированных территориях, поскольку первый показатель не позволяет учесть полиметаллический характер загрязнения, специфику почвенных условий и характер землепользования на оцениваемых территориях, а второй является чисто геохимическим и не может применяться для оценки соответствия состава почв требованиям к землям различного функционального назначения.

Указанное несоответствие может быть устранено при использовании интегрального показателя, который включает в себя расчет кратности превышения концентраций отдельных загрязняющих веществ в сочетании с коэффициентами опасности, характеризующими степень вредности отдельных элементов (Титова, Дабахов и др., 2004). Такой подход был апробирован при оценке загрязнения почв, прилегающих к предприятиям промышленного птицеводства (Дабахова, 2005). В рамках настоящей работы метод получил дальнейшее развитие и был использован для оценки полиметаллического загрязнения городских почв.

В качестве коэффициентов опасности могут быть использованы величины, обратные нормативу состояния почвы (например, 1/ПДК или другое обоснованное значение). При этом территории необходимо дифференцировать по характеру использования. Так, например, оценка территории промышленных зон с учетом ПДК по транслокационному или водно-миграционному показателям вредности представляется не вполне корректной, поскольку эти земли не используются для получения продукции растениеводства
, а токсичные элементы в основном смываются в промышленно-ливневую канализацию. В данном случае более актуален учет воздушно-миграционного показателя вредности.

Интегральный показатель (приведенный суммарный коэффициент концентрации), учитывающий информацию о содержании в почве токсичных элементов, их фоновом значении и степени опасности, может рассчитываться по следующей формуле:

n

D = å [Ci/Ci фон ´ Кi]

i=1

где D – приведенный суммарный коэффициент концентрации;

Ci – фактическая концентрация i-того элемента;

Ci фон – фоновая концентрация i-того элемента;

n – количество загрязнителей;

Кi – коэффициент относительной опасности i-того элемента.

При этом принимается: если содержание элемента или соединения равно или ниже фонового, от­ношение Ci/Ci фон следует считать равным единице. Для удобства использования полученный по последней формуле результат следует перевести в закрытую 100-бальную шкалу. Для этого приведенный суммарный коэффициент концентрации необходимо соотнести с коэффициентом, соответствующим незагрязненной почве (т. е. почве, имеющей оценку 100 баллов).

Выбор элементов и соединений, используемых для контроля, должен осуществляться на основе данных почвенных обследований. При характеристике определенного района (региона) расчет производится по фиксированному количеству приоритетных элементов (соединений). В данной работе оценка производилась по шести элементам. В то же время необходимо учитывать, что при рекомендуемой системе расчета даже малоопасное содержание наиболее токсичных элементов (кадмий, ртуть) значительно завысит итоговый показатель. Во избежание таких ошибок в качестве порогового целесообразно использовать значение 0,7 ПДК (или другого норматива состояния почвы). Для элементов, которые имеют меньшую концентрацию в почве, отношение Ci/Ci фон в формуле принимается равным единице.

Следует указать, что область использования предложенного показателя определяется направленностью составляющих его компонентов, в частности, коэффициентов Ki. При введении в расчет предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ (Ki=1/ПДК) показатель D приобретает санитарно-гигиеническую значимость и может использоваться для санитарно-гигиенической оценки территории вместо ПДК в качестве его комплексного аналога. Если весовые коэффициенты элементов получены с учетом норм состояния компонентов ландшафта (экологические нормативы), предложенный критерий может рассматриваться как комплексный показатель состояния конкретного компонента или данного ландшафта в целом.

Для получения окончательного результата оценки состояния почв необходимо выделение диапазонов значений по степени опасности загрязнения. В рамках предложенной в данной работе методики расчета даны градации, которым присвоены стандартные наименования:

1 – низкий уровень загрязнения – 100-75 баллов;

2 – средний уровень загрязнения – 75-50 баллов;

3 – повышенный уровень загрязнения – 50-25 баллов;

4 – высокий уровень загрязнения – 25-10 баллов;

5 – чрезвычайно высокий уровень загрязнения – 10-0 баллов.

Ниже даны некоторые результаты оценки экологического состояния почв, основанной на использовании двух комплексных показателей: коэффициента суммарного загрязнения (Zc) и приведенного суммарного коэффициента концентрации (Dб), произведенной для Автозаводского района г. Н. Новгорода (табл. 10). Сопоставление полученных значений показывает, что оба коэффициента на изучаемой территории в целом коррелируют между собой. В то же время на ряде участков в рассматриваемых показателях имеются определенные расхождения. В частности, на площадке 204 показатель Dб соответствует повышенному уровню загрязнения, в то время как расчет Zc дал относительно низкий результат. Это связано с наличием в почве высокотоксичного кадмия. Имеются и обратные примеры. Так, в т. 219 показатель Dб также соответствует повышенному уровню загрязнения, в то время как Zc имеет значение, превышающее 300 единиц. Этот обусловлено тем, что значительное превышение фонового уровня было характерно для менее токсичных металлов (хром, медь).

10. Результаты оценки экологического состояния почв Автозаводского района

№

Объект

Zc

Dб

1

Парк «Дубки», т.145

818,6

0,4

2

Завод автомобильных трансмиссий, т.204

22,8

49,0

3

Старая свалка автозавода, т.211

67,6

30,6

4

Иловые карты очистки промстоков, т.212

194,8

19,1

5

Иловые карты очистки промстоков, т.213

93,1

25,4

6

(площадка хранения металлолома), т.218

133,9

31,3

7

Центральный проезд главной промплощадки, т.219

303,6

29,5

8

Химсклад, т.232

89,0

40,0

9

Химсклад, т.233

100,1

50,4

10

Литейное производство, т.242

78,3

20,1

11

, переработка неметалл. отходов, т.247

234,3

8,5

12

, переработка неметалл. отходов, т.249

494,3

5,7

Приведенные примеры иллюстрируют различия в результатах расчетов по двум методам, из которых первый (Zc) характеризуется слабой чувствительностью к степени токсичности различных элементов, а второй (Dб) обращает внимание на более токсичные металлы. При этом коэффициент суммарного загрязнения наиболее объективно характеризует антропогенную трансформацию почв (иными словами, степень антропогенной нагрузки, приводящей к изменению геохимических характеристик территории), а интегральный оценочный балл дает наиболее корректную оценку санитарно-гигиенического (экологического) состояния территории. При расчете Zc основной задачей является корректное определение фоновых концентраций. При расчете Dб, кроме этого, исходя из целей исследования необходимо определить принцип расчета коэффициента относительной опасности.

Таким образом, оценка экологического состояния почв с использованием предложенного выше интегрального расчетного балла может использоваться в качестве базы для обоснования необходимости проведения мероприятий по реабилитации загрязненных тяжелыми металлами территорий, а также для выбора соответствующих проектных решений, наиболее эффективных и экономичных в конкретных условиях.

Основной целью, которую должен решать проектировщик, является обеспечение экологической безопасности конкретного элемента урболандшафта, которая может быть достигнута в результате учета характера функционального использования территории, а также реальной оценки степени опасности существующего и потенциального загрязнения.

В частности, к почвенному покрову промышленных зон, могут быть предъявлены следующие требования: 1) отсутствие вторичного загрязнения приземной атмосферы пылью, содержащей в своем составе токсичные элементы; 2) отсутствие загрязнения подземных вод в ходе выщелачивания металлов с атмосферными осадками; 3) отсутствие фитотоксического эффекта от загрязнения почв опасными элементами.

Следует отметить, что загрязнения приземной атмосферы пылью не происходит при наличии на поверхности почвы плотного растительного покрова, поэтому соблюдение третьего требования при условии выполнения обязательных работ по благоустройству территории устраняет вероятность негативного воздействия на здоровье персонала предприятия от попадания пыли в органы дыхания.

Таким образом, при оценке экологического состояния почвенного покрова промышленной функциональной зоны может использоваться коэффициент опасности элемента Кi (соединения), ориентированного на обеспечение отсутствия фитотоксического эффекта. В случае ухудшения состояния растительности и увеличения площади участков, лишенных растительного покрова, экологический статус территории снижается и при оценке почв должны применяться коэффициенты опасности элементов, ориентированные на миграционно-воздушный показатель вредности токсикантов.

Совершенно иной подход должен быть использован при оценке экологического состояния почвенного покрова агротехногенных зон. Очевидно, что в данном случае основным критерием при обосновании коэффициента опасности токсичных элементов является обеспечение отсутствия их накопления в растительной продукции, а расчет Кi должен проводиться с учетом экспериментально обоснованного транслокационного показателя вредности металлов.

Предложенные выше принципы экологической оценки почвенного покрова и разработка на их основе проектных решений, позволяющих изолировать токсичные элементы и соединения от биологических компонентов ландшафта, в том числе и от человека, являются основой оптимизации расходов на природоохранные мероприятия.

Биологический отклик экосистемы как интегральный показатель загрязнения почв. Одним из подходов к разработке показателей токсичности металлов, которые могут использоваться при расчете интегральных комплексных показателей (Ki), является оценка отклика живых организмов на аккумуляцию токсикантов в почвах. В ходе исследования, в котором под руководством автора принимали участие асп. и (, , 2009), была показана возможность использования характеристик всхожести и энергии прорастания семян озимой пшеницы в лабораторном эксперименте с почвенными пластинами в чашках Петри для дифференциации почв с различным уровнем загрязнения по степени их токсичности для тест-объекта. В опытах использовались пробы почв, отобранные на промышленной площадке с различным уровнем загрязнения ТМ.

На первом этапе оценки результатов биологический ответ тест-объекта сопоставлялся с результатами химического анализа отдельных элементов. Полученные данные свидетельствуют о зависимости изучаемых диагностических показателей (энергии прорастания и всхожести) от уровня содержания загрязняющих веществ. В таблице 11 дана характеристика корреляционной связи между показателями развития растений и содержанием отдельных ТМ в почве.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8