Тяжелые металлы в почвах геохимически сопряженных ландшафтов Красноуральского промышленного узла
М.В. Шабанов, М.С. Маричев
Санкт-Петербургский государственный аграрный университет
Представлены результаты исследования валового содержания тяжелых металлов в почвах в зоне действия медеплавильного комбината ОАО «Святогор», расположенного в Свердловской области. В ходе исследований производилась закладка разрезов на различном расстоянии и направлении от источника эмиссии. В отобранных почвенных образцах измерялась валовая концентрация Zn, Cd, Pb, Cu. По результатам анализа проводилось ранжирование с подсчетами: суммарного коэффициента загрязнения, латеральной и радиальной дифференциации тяжелых металлов, показателя техногенности. Для подтверждения путей поступления тяжелых металлов с аэропромышленными выбросами рассчитывалась максимально разовая приземная концентрация в атмосферном воздухе с подсчетом расстояния, на котором данная концентрация достигнет максимального значения. В ходе расчетов суммарного коэффициента загрязнения следует, что районы, находящиеся в непосредственной близости от источника эмиссии, имеют чрезвычайно опасную категорию загрязнения почвы. Также данные участки имеют долю техногенного вовлечения элемента более 90%. Полученные значения коэффициента радиальной дифференциации тяжелых металлов в меридиональном и широтном направлениях свидетельствует о наличии ряда физико-химических геохимических барьеров. Миграция тяжелых металлов между сопряженными системами подтверждается коэффициентами латеральной дифференциации. В ходе работы были выявлены основные источники поступления тяжелых металлов в почву, такие как аэропромышленные выбросы комбината и эоловый перенос с нарушенных земель. Среди выявленных закономерностей распространения тяжелых металлов основными являются наличие высокой степени сопряженности нарушенных земель с автономными естественными областями и периодическая смена направления и мощности аэротехногенных потоков комбината.
Ключевые слова: тяжелые металлы, техногенез, аэропромышленные выбросы, загрязнения почв, сопряженные ландшафты
M.V. Shabanov, M.S. Marichev
Saint Petersburg State Agrarian University
Heavy metals in the soils of geochemically coupled landscapes of the Krasnouralsk Industrial Centre
The results of a study of the gross content of heavy metals in soils in the area of operation of the Svyatogor copper smelter located in the Sverdlovsk region are presented. In the course of the research, sections were laid at different distances and directions from the emission source. The gross concentration of Zn, Cd, Pb, and з Cu was measured in the selected soil samples. According to the results of the analysis, jo a ranking was carried out with the calculations of the total pollution coefficient, lateral and radial differentiation of heavy metals, and the technogenicity index.
In order to confirm the routes of the arrival of heavy metals with airport emissions, І і the maximum single surface concentration in atmospheric air was calculated with g g § the calculation of the distance at which this concentration reaches its maximum о оvalue. In the calculation of the total pollution coefficient, it follows that areas located in the immediate vicinity of the emission source have an extremely dangerous category of soil pollution. Also, in these areas, the proportion of technogenic involvement of the element is more than 90%. The obtained values of the coefficient of radial differentiation of heavy metals in the meridional and latitudinal directions, indicates the presence of a number of physical and chemical geochemical geochemical barriers. The migration of heavy metals between conjugated systems is confirmed by the lateral differentiation coefficients. In the course of the work, the main sources of heavy metals entering the soil were identified, such aeroindustrial emissions of the plant and aeolian transfer from technogenic disturbed lands. Among the identified patterns of distribution of heavy metals, the main ones are the presence of a high degree of relations of disturbed lands with autonomous natural areas and periodic changes in the direction and power of aero-technogenic flows of the plant.
Key words: heavy metals, technogenesis, airport emissions, soil pollution, related landscapes
Введение
Во все среды, в том числе и почвы, могут проникать различные химические элементы. Формирование почв в ландшафте обусловлено сложными разнонаправленными потоками вещества. Наряду с вертикальной миграцией, большую роль играет латеральный (горизонтальный) транспорт вещества по поверхности почвы [Геннадиев, Касимов, 2004].
Предприятия цветной металлургии вносят огромный вклад в принос и вовлечение в геохимическую миграцию элементов, не типичных для областей, сопряженных с ними [Лянгузова, Гольдвирт, Фадеева, 2016; Barkan, Lyanguzova, 2018]. Большинство таких элементов являются потенциальными токсикантами, среди которых весомую долю составляют тяжелые металлы. Как в процессе обработки месторождений, так и при деятельности перерабатывающих комбинатов, формируются нарушенные техногенные ландшафты с высоким содержанием тяжелых металлов, концентрация которых в пределах одной функциональной ландшафтной зоны будет не одинакова. Данное распространение зависит не только от интенсивности поступления техногенных потоков, но и перераспределения поллютантов, их поведения в геохимических барьерах. Особенности формирования процессов поведения будут обуславливать радиальную и латеральную дифференциацию элементов и их соединений.
Так, в районе г. Красноуральск Свердловской области в результате активной деятельности медеплавильного комбината ОАО «Святогор» почвенный покров подвержен высокому техногенному воздействию. В окрестностях образуются почвенные геохимические аномалии тяжелых металлов с нетипично высокими концентрациями для данных областей. Как отмечал Ю.Г. Тютюнник, наблюдается тесная корреляция концентрации тяжелых металлов в атмосферном воздухе и поверхностном почвенном слое почвы [Тютюнник, 1997]. Выявление данных закономерностей свидетельствует о высокой степени влияния аэропромышленных выбросов на формирование прилегающих ландшафтов, что также отмечается рядом исследователей [Liu, Liu, 2018].
В связи с вышесказанным, целью данной работы является изучение валового содержания тяжелых металлов в почвах сопряженных ландшафтов в районе техногенной активности медеплавильного комбината. Для осуществления поставленной цели решались следующие задачи:
1) определить концентрацию тяжелых металлов в почвах района техногенеза;
2) выявить содержание тяжелых металлов в разных типах ландшафта;
3) проследить степень влияния сопряженных систем.
Объекты и методы исследования
Объектом исследования является почвенный покров в окрестностях города Красноуральск. На различном расстоянии от действующего медеплавильного комбината ОАО «Святогор», на одинаковых формах рельефа, закладывались почвенные разрезы (рис. 1). Исследуемые почвы классифицированы как подзолистые и дерново-подзолистые тяжелосуглинистые, с различной степенью оподзоленности и мощностью гумусового горизонта, залегающие на делювии с щебнем местных пород [Классификация и диагностика почв России, 2004]. Рельеф территории сформирован холмисто-волнистой равниной с незначительными перепадами высот [Шабанов, Маричев, 2018].
Для отбора проб на определение содержания тяжелых металлов закладывались полноценные почвенные разрезы на различном расстоянии от источника эмиссии. Определение валового содержания тяжелых металлов (цинка, кадмия, свинца и меди) проводилось методом инверсионной вольтамперометрии по методике МУ 31-11/05, внесенной в Федеральный реестр методик измерений под номером ФР.1.31.2005.02119. Для извлечения валовых форм Zn, Cd, Pb, Cu воздушно-сухая навеска почвы заливалась 50-процентной азотной кислотой в соотношении 1 : 10 (почва : раствор), с дальнейшим кипячением и добавлением 37-процентного раствора пероксида водорода.
Рис 1. Точки отбора проб на территории исследуемого участка. Mасштаб 1 : 20 000.
Fig. 1. Sampling points in the study area, the number of selection points. Scale 1 : 20 000.
Для прослеживания влияния техногенной нагрузки агропромышленных выбросов комбината как основного источника техногенеза исследуемого района производились расчеты суммарного коэффициента загрязнения в поверхностном слое почвы 0-15 см, который концентрирует в себе компоненты воздушной среды приземного слоя.
Для выявления нагрузки и поступления тяжелых металлов с аэро- промышленными выбросами комбината производились расчеты максимально разовой концентрации металлов по средним данным, указанным в исследованиях А.И. Бичукиной [Бичукина, 2008; Бичукина, Парфенова, Копенкина, 2008]. Общие объемы выбросов комбината ОАО «Святогор» составляют 57 282,125 т/год. Характеристика выбросов:
- температура выбросов колеблется от 15 до 380 °С;
- объем отходящих газов от 0,00138 до 61,11 м3/с;
- высоты источников выбросов от 1,3 до 120 м;
- скорость газо-воздушной смеси от 0,00488 до 49,515 м/с [Бичукина, 2008].
Согласно вышеперечисленным параметрам, производился расчет Методы расчетов рассеивания выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферном воздухе. Утв. приказом Минприроды России от 6 июня 2017 г. № 273. средних максимально разовой приземной концентрации (CM) в атмосферном воздухе с поправками на 2019 г.
Результаты и обсуждение
Расстояние от источника эмиссии до участка, где максимальная концентрация при учитываемой средней скорости ветра 1,9 м/с и нормальных условиях, определялась по формуле (2). Для исследуемых элементов при CM расстояние будет 1951 м. В дальнейших расчетах изменения параметров концентрации от количества выбросов при той же скорости ветра 1,9 м/с данные изменяются согласно кривой (рис. 2). Произведенные расчеты проводились при условии средней постоянной скорости ветра 1,9 м/с, без учета циркуляции атмосферных потоков и изменения температурного режима. Таким образом, данная расчетная модель показывает наличие постоянного приноса тяжелых металлов с аэрогенными потоками. В связи с интенсивной связью приземного атмосферного воздуха с почвенным покровом происходит обмен из-за диффузионных сил и накопление поллютантов в почвенном покрове. Дальнейшая их миграция в почвенном профиле происходит из-за естественных геохимических процессов и миграцией с инфильтрационными водами.
В связи с изменением количества нагрузки и неоднородности распределения тяжелых металлов с отдалением от источника эмиссии производился учет их валового содержания в 0-15 см толщи исследуемых почв на различном расстоянии. На рис. 3 представлено содержание тяжелых металлов с сравнении с предельно допустимыми концентрациями (ПДК даны по Мукатанову [Мукатанов, 1999]).
Рис. 2. Изменение максимально разовой приземной концентрации металлов (в газовоздушной смеси в пределах 1,5 м от поверхности почвы) с отдалением от источника эмиссии
Fig. 2. Change in the maximum single surface concentration of metals
(in the gas-air mixture within 1.5 m from the soil surface) with distance from the emission source
Участки, имеющие наибольшую концентрация цинка, кадмия, свинца и меди, располагаются в районах в непосредственной близости от комбината (см. рис. 1). В местах отбора проб № 3, 5, 8, 9, 11, 23, 24, 26, 27 концентрация исследуемых металлов превышает ПДК по Мукатанову (см. рис. 3).
По исследованиям зарубежных ученых, кларк цинка в земной коре составляет 76 мг/кг [Гринвуд, Эрншо, 2008]. Отечественный ученый А.Х. Мукатанов установил предельно возможную концентрацию веществ в почве, делая упор на Уральский регион. По его мнению, для цинка ПДК равен 100 мг/кг [Мукатанов, 1999]. В исследуемых нами образцах на территории в радиусе 6-8 км от источника эмиссии концентрация цинка превышает ПДК по Мукатанову в 5 раз и более.
Для кадмия кларк в земной коре по Виноградову составляет 0,13 мг/кг. ПДК в почвах по Мукатанову 3,0 мг/кг [Там же]. В районе интенсивной нагрузки Красноуральского промузла, в местах отбора проб № 3, 11, 20, 24, превышение ПДК - в 1,5-2 раза (см. рис. 3).
Кларк свинца в земной коре по Гринвуду и Эрниго составляет 13,0 мг/кг [Гринвуд, Эрншо, 2008], ПДК в почвах 32,0 мг/кг [Мукатанов, 1999]. На участках, имеющих высокую степень техногенной нагрузки, концентрация свинца выше ПДК в 10-50 раз (см. рис. 3).
Кларк меди в земной коре 47,0 мг/кг [Гринвуд, Эрншо, 2008], ПДК 55,0 мг/кг [Мукатанов, 1999]. В районе исследования, в радиусе 6-8 км от источника выбросов (см. рис. 1), концентрация меди выше ПДК в 20-50 раз (см. рис. 3).
Все вышеописанные районы исследования с концентрациями тяжелых металлов, превышающими ПДК, относятся к участкам, приуроченным к нестабильному функционированию ландшафтных систем. Данные территории являются аллохтонными ландшафтными областями. За счет относительного понижения участков вблизи расположения комбината и его окраин в радиусе порядка 8 км происходит дополнительное подчинение указанных территорий с автохтонными ландшафтами, распределенными в отдаленных районах. Тем самым прослеживается латеральная дифференциация тяжелых металлов в областях, распределенных на границе данных структурных единиц ландшафтов, служащих буферной зоной на пути распространения поллютантов аэропромышленных выбросов.
Автохтонные территории являются автономными за счет наибольшей стабилизации компонентов ландшафтного комплекса. Лесные провинции, функционирующие в полном объеме, обладают высокой способностью к самовосстановлению. Тем самым участки, расположенные на границе между данными комплексами, перераспределяют компоненты техногенных потоков рассеивания в подчиненные системы.
Рис. 3. Содержание тяжелых металлов в верхней минеральной (0-15 см) толще почв исследуемого района: a - цинк; b - медь; c - свинец; d - кадмий.ПДК по [Мукатанов, 1999]mg/kg
Fig. 3. The content of heavy metals in the upper mineral 0-15 cm thick soils of the study area: a - Zn; b - Cu; c - Pb; d - Cd.Permissible concentration for [Mukatanov, 1999]