= ХИМИЯ ПОЧВ
УДК 504.054,504.53
ФАКТОРЫ НАКОПЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОИДОВ НА ГЕОХИМИЧЕСКИХ БАРЬЕРАХ В ГОРОДСКИХ ПОЧВАХ*
© 2015 г. Н. Е. Кошелева, Н. С. Касимов, Д. В. Власов
Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы e-mail: natalk@mail.ru, secretary@geogr.msu.ru, vlasgeo@yandex.ru Поступила в редакцию 18.08.2014 г.
Определено валовое содержание и концентрации подвижных (в вытяжке ацетатно-аммонийного буферного раствора c этилендиаминтетрауксусной кислотой) форм Cd, Pb, Sb, As, Bi, Zn и Cu в поверхностном горизонте почв Восточного округа Москвы. Регрессионный анализ показал, что аккумуляция металлов и металлоидов контролируется физико-химическими свойствами почв и рядом антропогенных факторов и ландшафтных условий (геохимической позицией, типом рыхлых отложений, видом использования территории, величиной пылевой нагрузки, выбросами автотранспорта, структурой застройки, степенью озелененности, запечатанностью почв). На щелочном геохимическом барьере осаждаются Cd, Cu, Zn, на хемосорбционном — Bi, Sb, As, Cu, Pb, Zn, на ор-гано-минеральном — Sb, As, Pb, на сорбционно-седиментационном — Cd и Cu. Техногенная трансформация физико-химических свойств городских почв приводит к увеличению среднего валового содержания тяжелых металлов и металлоидов на 33—99% и росту доли закрепленных на барьерах элементов на 26—50%.
Ключевые слова: подвижные формы, аномалии, загрязнение почв, многомерный анализ. DOI: 10.7868/S0032180X15050032
ВВЕДЕНИЕ
Промышленные объекты и транспорт в городах поставляют большое количество вредных выбросов, оказывая негативное воздействие на состояние окружающей среды. Загрязняющие вещества осаждаются из атмосферы на поверхность почв и накапливаются в них, изменяя морфологические и физико-химические свойства верхних горизонтов. Выпадение карбонатной пыли приводит к росту рН поверхностных горизонтов, тонкие фракции пыли и ила, а также гумусовые вещества увеличивают емкость поглощения [7, 17, 18, 29, 40, 42]. Утечки воды из распределительных сетей обусловливают подтопление, а запечатывание, то есть размещение на поверхности почв зданий, покрытие их асфальтом и т. д., приводит к уплотнению и уменьшению пористости почв с нарушением их газового режима [10]. В результате в поверхностных горизонтах городских почв образуются щелочной, сорбционный, глее-вый, окислительный и комплексные геохимические барьеры (ГХБ), на которых накапливаются токсичные тяжелые металлы и металлоиды (ТМ) [5, 6, 10, 11, 17, 18, 34, 42, 46, 51, 61, 65]. Их ем-
* Полевые и химико-аналитические работы выполнены при поддержке проекта РФФИ-РГО № 13-05-41191, обработка и анализ данных профинансированы Российским научным фондом (грант № 14-27-00083).
кость, как правило, гораздо больше, чем у природных аналогов [18], что является важным фактором ускоренного накопления ТМ.
Свойства этих барьеров, отсутствующих или слабо выраженных в природных почвах, в значительной степени определяют дальнейшую судьбу ТМ. Закономерности аккумуляции ТМ на барьерах в условиях города изучены недостаточно даже для хорошо известных в геохимическом и экологическом отношении металлов, таких как Си, Zn, РЬ, Сё, Сг, N1, Со, для Б1, 8Ъ и Аз такая информация практически отсутствует. Анализ поведения ТМ в городских почвах предполагает определение зависимостей между формами нахождения химических элементов и совокупностью антропогенных факторов и ландшафтных условий, влияющих на миграционную способность ТМ и определяющих скорость их накопления на ГХБ [14, 23]. Темпы накопления ТМ зависят от прочности связей с почвенными компонентами (оксидами и гидроксидами Бе и Мп, глинистыми минералами, органическим веществом), которая обусловлена химическими свойствами элемента, формами поступающих из техногенных источников соединений и геохимической обстановкой, то есть окислительно-восстановительными и кислотно-щелочными условиями [5, 16, 31, 42, 59].
Главным источником ТМ в городских почвах является техногенная пыль. Химический состав
выпадающих из атмосферы частиц сильно различается в зависимости от их размера и происхождения. Они состоят из крупных частиц РМ10 диаметром <10 мкм, мелких — РМ2.5 (<2.5 мкм) и РМ1 (<1 мкм) и очень мелких частиц РМ0.1 (<0.1 мкм). В городах в РМ10 концентрируются Zn, РЬ, в меньшей степени — Аз, Сг, БЬ, Си, N1, Бп, Бг, Сё, Мо, А§. РМ2.5 обогащены V, Сг, Мп, Zn, Бе, РЬ, N1, Сё, Р^ Рё, Rd [62]. Доля биологически доступных форм А§, Со, Мп, Мо и БЬ в РМ2.5 и РМ10 составляет 40-60%, Си, № и Zn - 60-80%, а Сё, РЬ и Т1 - более 80% [49].
Миграционная способность ТМ оценивается путем сопоставления данных о валовом содержании и концентрациях подвижных форм химических элементов [2, 20, 23, 25, 26, 35, 56]. Наиболее подвижными являются обменные формы ТМ, представленные легкогидролизуемыми соединениями, которые чаще всего извлекаются из почв ацетатно-аммонийным буферным раствором (ААБ) с рН 4.8 или ААБ с этилендиаминтетраук-сусной кислотой (ЭДТА) [16, 25, 28, 30, 31]. ТМ переходят из почвы в раствор путем ионного обмена, а также гидролиза под действием ионов водорода и образования растворимых ацетатных или аммонийных комплексных соединений [25].
Исследование форм ТМ в почвенном покрове города совместно с природными и антропогенными факторами их накопления дает возможность определить механизмы и условия формирования ГХБ по комбинациям факторов, при которых наблюдается максимальная аккумуляция ТМ в почвах. В число факторов, помимо основных почвенных свойств, необходимо включать ландшафтные характеристики: рельеф, почвообразу-ющие породы, положение в катене, характер растительности, а также антропогенные факторы -функциональное назначение территории, структуру и плотность застройки, характер транспортной сети, количество выпадающей пыли, мощность техногенных отложений и др. Количественный анализ такой ландшафтно-геохимической информации позволяет понять роль этих факторов в накоплении ТМ в городских почвах и определить доминирующие классы техногенных ГХБ.
Цель работы - оценить условия формирования и параметры основных видов техногенных ГХБ путем анализа распределения валовых и подвижных форм ТМ в городских почвах при различных сочетаниях ландшафтных и антропогенных факторов. Объектом изучения явился почвенный покров Восточного административного округа (ВАО) Москвы. Ландшафтно-геохимические исследования ВАО как модельной урбанизированной территории ведутся на географическом факультете МГУ с 1990-х гг. За 20-летний период накоплен значительный статистический материал, установлены особенности миграции и динамика
накопления ТМ в разных компонентах ландшафтов и функциональных зонах округа, а также формы нахождения РЬ в почвах [19, 22, 33-36, 42].
В настоящей работе решались следующие задачи:
- установить валовое содержание, концентрации подвижных форм и подвижность1 В1, БЬ, Аз, Сё, Си, РЬ и Zn в поверхностном слое городских почв;
- определить ландшафтные условия, включая физико-химические свойства почв, и комплекс антропогенных факторов, влияющих на интенсивность аккумуляции ТМ в почвах, и по сочетанию факторов диагностировать основные классы техногенных ГХБ;
- выявить особенности пространственного распространения ГХБ на территории ВАО;
- оценить изменение емкости ГХБ в результате техногенной трансформации физико-химических свойств почв.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Изучалась южная, наиболее загрязненная часть ВАО, где расположен ряд крупных промышленных зон, автомагистралей, ТЭЦ-11, районная тепловая станция "Перово". Все эти объекты являются основными источниками загрязнения почвенного покрова, который достаточно сильно изменен под воздействием процессов урбанизации и техногенеза [33]. Территория относится к южно-таежным ландшафтам Подмосковной Мещеры и представляет собой плоскую зан-дровую равнину с абсолютными высотами 150— 160 м. На большей части ВАО сформировались специфические антропогенно-преобразованные почвы: урбодерново-подзолистые, урбаноземы, индустриземы, экраноземы, а также техноземы, развитые на водно-ледниковых песках и супесях и техногенных отложениях мощностью 1-4 и более метров [10, 43].
Исследования проводили летом 2010 и 2011 гг. на основе функционального зонирования территории [24]. Из-за аккумуляции металлов в поверхностных горизонтах техногенно-измененных почв опробовался верхний (0-15 см) дерново-гумусовый горизонт. Всего было отобрано 73 смешанных пробы почв в трех повторностях и 10 - на фоновой территории (рис. 1). При оценке контрастности техногенных педогеохимических аномалий в качестве эталонов были использованы фоновые дерново-подзолистые почвы Национального природного парка "Мещера" в 200 км к востоку от Москвы, которые характеризуют региональные ландшафтно-геохимические условия
1 Подвижность (%) - отношение содержания подвижных форм химического элемента к его валовому содержанию.
Рис. 1. Основные источники техногенного воздействия и точки отбора проб поверхностных горизонтов почв на территории ВАО. Функциональные зоны: Р — рекреационная, В — жилая застройка повышенной этажности, С — жилая застройка средней этажности, Н — жилая застройка низкой этажности, ПА — постагрогенная.
неурбанизированных территорий Подмосковной Мещеры.
Физико-химические свойства почв и подвижные формы ТМ определялись в Эколого-геохи-мическом центре географического факультета МГУ: рН водной вытяжки — потенциометриче-ским методом, гранулометрический состав — на лазерном гранулометре (Ег^сИ, Германия), содержание органического углерода — методом Тюрина. Валовое содержание Сё, РЬ, 8Ь, Аз, Б1, Zn, Си, МпО и Бе2О3 анализировалось масс-спек-тральным и атомно-эмиссионным методами с индуктивно связанной плазмой на приборах Е1ап-6100 и 0рйта-4300 (Регкп Е1тег, США) во ВНИИ минерального сырья (Москва), подвижные формы ТМ — в вытяжке ААБ с ЭДТА на атом-но-абсорбционном спектрометре поуАА-400 (Ап-а1у1;1к^епа AG, Германия).
Материалы исследований организованы в виде геоинформационной системы, содержащей координаты 73 точек опробования, характеристику ландшафтных условий и антропогенных факторов, физико-химические свойс
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.