ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 1, с. 101-105
УДК 550.47
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА РФА-СИ В ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ НА ТЕРРИТОРИИ г. НОВОСИБИРСКА © 2015 г. Т. И. Сиромля, С. А. Худяев, А. И. Сысо
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск. E-mail: tatiana@issa.nsc.ru
Исследовано содержание широкого спектра химических элементов в почвах, гранулометрических фракциях почв и листьях тополя г. Новосибирска. Рассчитан коэффициент биологического накопления. Установлено, что значительный вклад в химический состав листьев вносят минеральные частицы размером менее 10 мкм, оседающие на поверхности растений.
DOI: 10.7868/S0367676515010287
Для Новосибирска, как и для других крупных городов, актуально изучение состава и свойств городских почв и элементного химического состава листьев растений. Во-первых, почвы — среда обитания растений и буферная система, аккумулирующая и нейтрализующая вредные вещества, выбрасываемые в атмосферу промышленностью и транспортом. Во-вторых, листья — хорошие индикаторы состояния растений как с точки зрения обеспеченности их элементами минерального питания, так и загрязнения тяжелыми металлами. Поскольку в условиях города поллютанты поступают в растения как из почвы, так и с атмосферными выпадениями и газопылевыми выбросами, поэтому содержание химических элементов (ХЭ) в растениях — комплексный показатель, отражающий загрязнение почвы и приземного слоя атмосферы.
Одним из наиболее распространенных видов древесной растительности Новосибирска является тополь [1]. В условиях города он выполняет значительную экологическую и эстетическую роль, так как неприхотлив, быстро растет и весьма газоустойчив, поэтому тополь считают наиболее перспективным древесным растением для создания санитарно-защитных насаждений с высокой пластичностью по отношению к действию экологических факторов среды [2, 3]. Накопление токсических элементов в листьях, побегах, коре и корнях тополя в среднем на 25—30% больше по сравнению с аналогичными показателями других видов древесных растений, произрастающих в санитарно-защитных насаждениях [4].
На территории города Новосибирска вдоль крупных автомагистралей были отобраны образцы почв (глубина 0—5, 5—10 и 10—20 см) и растительности (листья тополя). Сбор растительного
материала проведен на одновозрастных посадках тополя в конце июля — в период максимального развития и физиологической активности фотосинтетического аппарата древесных растений. Листья собирали с нижней части крон по периметру с 10 деревьев средневозрастного генеративного состояния. Пробоподготовка была проведена стандартными методами.
Валовое содержание ХЭ определяли как в почве в целом, так и отдельно по гранулометрическим фракциям, выделенным по методу Н.И. Горбунова. Содержание ХЭ в листьях тополя исследовали после их предварительного сухого озоления. Концентрацию Ве и В определяли методом атомно-эмиссионной спектроскопии в институте почвоведения и агрохимии СО РАН. Определение остальных ХЭ проводили методом с использованием синхротронного излучения (РФА-СИ) на станции СЦСТИ Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН (накопитель ВЭПП-3) [5]. Для возбуждения флуоресценции использовалось монохроматизированное синхротронное излучение с энергией 23 и 38 кэВ, что позволяет анализировать элементы от К до Ва по К-серии, а РЬ по Ь-серии характеристического рентгеновского излучения. Время измерения спектра от 150 до 400 секунд. Для РФА-СИ-анализа навески исследуемого материала (1 г) измельчали в агатовой ступке. Затем образцы прессовали в форме таблетки диаметром ~1 см, весом — 30 мг (с поверхностной плотностью 0.04 г • см-2). Концентрацию химических элементов определяли с использованием метода "внешнего стандарта". В качестве образцов сравнения использовали российские стандарты траво-злаковой смеси ГСО СОРМ1 и байкальского ила БИЛ-1 [6]. Значение ошибки - воспроизводимость результатов анализа, полученная путем 15 параллельных измерений
102
СИРОМЛЯ и др.
Содержание ХЭ в почве, мг ■ кг 1 100000 г
10000
1000 -
100
10 -
■ 1 □ 2 ■ 3
□ 4
Ве В 8с И V Сг Мп Fe Со N1 Си Zn Ga А Y 7г Nb Мо Sn Ва УЬ РЬ
Рис. 1. Содержание ХЭ в почве, мг/кг (здесь и далее: 1 — Аэропорт "Северный", 2 — гостиница "Обь", 3 — Оловоком-бинат, 4 — Академгородок).
трех одинаковых образцов, для большинства элементов в растительных образцах колеблется в основном в пределах 3—11%, для ванадия, кобальта, никеля и циркония — 17, 18, 40 и 60% соответственно и для почвенных образцов составляет 3—20% в зависимости от элемента. Предел обнаружения — от 10-7 г • г-1. Возможности метода РФА-СИ, конструкция станции и измерительного комплекса описаны в паспорте станции [7].
Как уже отмечалось в наших исследованиях [8], метод РФА-СИ требует небольшой навески материала для анализа, что особенно актуально при изучении химического элементного состава почвенных фракций, а также позволяет определить весь комплекс ХЭ в одной пробе материала, давая этим возможность провести адекватный сравнительный анализ. Кроме того, данный метод дает возможность определять содержание ХЭ в широком диапазоне и не требует химической подготовки проб, что исключает погрешности за счет привноса или удаления элементов вместе с реактивами. Математическая обработка полученных данных производилась по общепринятым методикам с использованием статистического пакета Microsoft Excel 2007.
Для оценки почвенно-растительных связей был рассчитан коэффициент биологического поглощения (КБП): отношение содержания ХЭ в золе растения к его валовому содержанию в почве.
Проведенные исследования показали, что комплексный характер и рост интенсивности антропо-
генной нагрузки повышают уровень загрязнения почв до очень высокого и способствуют накоплению в них ХЭ выше значений ориентировочно допустимых концентраций согласно ГН 2.1.7.2511-09. Как элементы-загрязнители окружающей среды показали себя аб, Сг, Си, №, РЬ, 8п, Zn (рис. 1), что хорошо согласуется с данными наших более ранних исследований [9].
Большинство исследованных ХЭ аккумулируются в верхних слоях почвы, а с глубиной их содержание уменьшается (табл. 1). Такой аккумулятивный тип распределения ТМ весьма характерен для техногенных ландшафтов в целом независимо от типа почвы [10, 11].
Установлено, что значительный вклад в химический состав листьев вносят минеральные частицы размером <10 мкм, оседающие на поверхности растений. Большая часть ХЭ листвы (за исключением А и РЬ) находится в кислотоустойчивой форме химических соединений. Аномально высокие концентрации мышьяка в растениях наблюдаются во всех точках, а олова — вблизи Оловоком-бината (рис. 2).
Высокий уровень запыленности атмосферы городов находит отражение в повышенной зольности листьев растений (табл. 2) и количестве нерастворимых в азотной кислоте минеральных частиц, которые представляют собой химически стойкие природные и техногенные образования.
1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА РФА-СИ В ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ 103
Таблица 1. Распределение ХЭ по почвенному профилю на примере разрезов возле гостиницы "Обь" (ул. Большевистская)
Валовое содержание ХЭ, мг • кг 1
ХЭ глубина отбора, см (почва в целом) глубина отбора, см (фракция менее 10 мкм - физ. глина)
0-5 5-10 10-20 0-5 5-10 10-20
Ве 3.3 3.2 2.0 5.2 3.9 2.4
Яс 15 14 8 24 17 14
Сг 114 101 56 139 135 114
Бе 20300 20300 13 300 30900 30900 2400
Со 12 11 7 16 16 14
N1 100 94 44 113 100 75
Си 78 63 24 182 156 48
Zn 250 223 96 516 352 170
Оа 9.6 9.4 7.1 13.0 11.0 9.7
У 29 29 21 35 29 26
Zr 197 181 119 224 174 147
№ 15.0 8.2 7.9 7.5 7.5 7.4
Мо 5.8 5.5 4.6 11.0 8.4 8.3
ЯП 29 21 15 29 24 23
La 30 27 20 40 33 26
Се 54 46 20 72 61 54
УЬ 2.9 2.8 1.5 3.6 2.9 1.9
РЬ 100 79 41 190 170 84
В1 8.5 8.0 7.0 10.0 9.5 9.5
Установлена сильная достоверная корреляционная связь между концентрациями Аз, В, Ве, Си, N1, Sn, Yb, Zr в почвах и в листьях растений.
Расчет КБП выявил накопление листьями городских тополей Fe, Zn, Аз, В, Си, но в районе Оловокомбината обнаружено резкое снижение значений коэффициента — в некоторых случаях
более чем в 10 раз. Однако здесь КБН олова (1.1) оказался на порядок выше, чем в остальных точках (0.1). Для всех остальных изученных элементов КБП менее единицы (кроме территории Академгородка, где КБП составил 2.3 для марганца и 1.5 для кобальта). КБП для Ве, Сг, Ga, N^N1, Sc, V, У, Yb, Zr практически не варьирует.
Содержание ХЭ в золе, мг ■ кг 1 10000.00 г
1000.00 -
100.00 -
10.00 -
1.00 -
0.10
0.01
■ 1
■ 3
□ 4
Ве В Яс Т1 V Сг Мп Бе Со N1 Си Zn Оа Аз У Zr № Мо Яп Ва УЬ РЬ
Рис. 2. Содержание ХЭ в листьях тополя, мг • кг 1 золы.
104
СИРОМЛЯ и др.
Таблица 2. Концентрация ХЭ в золе листьев тополя и в гранулометрических фракциях из слоя 0—5 см почв г. Новосибирска и фоновых территорий
Объект
Компонент
Содержание,
%
Концентрация ХЭ, мг • кг 1 в прокаленных почвенных фракциях, в золе листьев тополя и нерастворимой ее части
Сг
N1 Си Zn АБ Sn
РЬ
Район Оловокомбината
<1 мкм 7.3 176 149 141 24 2700 285 121
1—5 мкм 7.6 193 148 125 280 470 230 148
5—10 мкм 7.3 152 126 110 261 300 258 108
Почва 10—50 мкм 65.9 116 75 89 110 250 276 52
50-250 мкм 6.4 100 49 177 150 266 471 69
>250 мкм 5.5 90 16 118 100 72 362 19
В целом 100 127 84 104 145 440 289 68
Листья Общая зола 14.3 25 38 136 2780 570 560 28
Нераст. зола 2.3 82 22 85 370 7 16 300 12
Район аэропорта "Северный"
<1 мкм 5.0 161 141 169 250 64 13 139
1-5 мкм 2.5 195 182 156 287 45 20 143
5-10 мкм 4.9 192 197 82 310 14 22 40
Почва 10-50 мкм 49.0 74 47 68 130 9 22 57
50-250 мкм 26.8 52 40 49 120 6 12 26
>250 мкм 11.8 40 36 22 80 6 3 18
В целом 100.0 60 46 52 139 12 16 49
Листья Общая зола 13.3 21 31 50 4700 43 2 7
Нераст. зола 1.9 115 95 60 288 4 89 5
Фоновая территория — искусственные лесополосы в 40 км от границы г. Новосибирска
<1 мкм 19.6 116 76 95 159 18 6 33
1-5 мкм 10.0 75 68 58 110 25 6 22
5-10 мкм 9.0 53 59 30 98
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.