Статья: Тяжелые металлы в почвах геохимически сопряженных ландшафтов Красноуральского промышленного узла

Для подтверждения вовлечения цинка, кадмия, свинца и меди в геохимический круговорот именно за счет аэрогенного поступления и перераспределения компонентов между ландшафтными комплексами, учитывалась доля техногенности элементов, т.е. процент каждого из исследуемых тяжелых металлов на участках отбора проб (табл. 1). Участки в местах отбора № 3, 5, 8, 9, 11, 20, 24, 26, 27 имеют долю техногенности более 90% (см. табл. 1). Данные районы, помимо прямого поступления поллютантов с аэропромышленными выбросами, имеют дополнительный поток тяжелых металлов с прилегающих ландшафтов, что описывалось выше. Общая картина распределения тяжелых металлов по доле техногенности имеет следующий вид: Cd₉₂ 7 > Zn₈₈ 8 > Cu₈₈ 6 > Pb₇₇ 1. В данном ряду распределения большая доля вовлечения кадмия определяется за счет своего наименьшего содержания в материнских породах исследуемого района с относительно высоким содержанием в поверхностном слое почвы. В свою очередь, высокие фоновые значения свинца уменьшают долю его техногенного вовлечения.

Общие закономерности распределения и наличия тяжелых металлов в поверхностном слое почвы обуславливаются наличием такого мощного геохимического барьера, как гумусовый. Значительная часть среди различных форм меди и свинца входит в состав комплексных соединений с органическим веществом [Фоновое содержание и состав соединений, 2015]. Значительное накопление кадмия в гумусово-элювиальных горизонтах происходит за счет вымывания обменных катионов кальция и магния [Шабанов, Маричев, 2018] и вследствие меньшей конкурентной сорбцией с данными ионами [Путилина, 2009].

При подсчете суммарного коэффициента загрязнения (Z_c) (см. рис. 4), почвы районов отбора № 7, 15, 25, 28 имеют допустимую категорию загрязнения. Чрезвычайно опасную категорию загрязнения имеют почвы районов отбора № 3, 5, 8, 9, 11, 20, 26, 27. Данные районы наиболее подвержены техногенной деятельности. Происходит поступление поллютантов не только с аэропромышленными выбросами, но и с приносом с техногенно-поверхностных образований, складируемых в окрестностях комбината и Сорьинского хвостохранилища. Остальные участки относятся к опасной категории.

Таблица 1

Доля техногенности элементов в почвах, % [The percentage of technogenic elements in soils, %]

Рис. 4. Коэффициент суммарного загрязнения.

Менее 16 - низкий уровень, 16-32 - средний, 32-128 - высокий, более 128 - очень высокий

Fig. 4. The coefficient of total pollution.

Up to 16 - low, 16-32 - medium, 32-128 - high, more 128 - very high

Для более детального анализа и прослеживания путей распространения и поведения исследуемых тяжелых металлов в почве рассчитывался коэффициент радиальной дифференциации, отражающий наличие закрепления или миграции тяжелых металлов и присутствие геохимических барьеров.

В меридиональном направлении в северной и южной сторонах от источника эмиссии (рис. 5) коэффициент радиальной дифференциации тяжелых металлов больше единицы, что свидетельствует о накоплении их в профиле почв. Особо высокие значения коэффициента отмечены в южном направлении в гумусово-иллювиальных горизонтах. За счет высокой функциональной активности гумусовых кислот происходит образование комплексных гетерополярных соединений с металлами. Далее вниз по профилю отмечается уменьшение коэффициента, что свидетельствует о миграции и наличии иллювиальных процессов в профиле. В северном направлении с отдалением от комбината коэффициент миграции уменьшается в гумусово-элювиальных горизонтах (см. рис. 5).

Рис 5. Радиальная дифференциация тяжелых металлов в почвах в меридиональном направлении: а - цинк; b - кадмий; с - свинец; d - медь

Fig. 5. Radial differentiation of heavy metals in the meridional direction:

a - zinc; b - cadmium; c - lead; d - copper

Рис. б. Радиальная дифференциация тяжелых металлов в широтном направлении: а - цинк; b - кадмий; с - свинец; d - медь

Fig. 6. Radial differentiation of heavy metals in the latitudinal direction:

a - zinc; b - cadmium; c - lead; d - copper

В широтном направлении относительно комбината (см. рис. 6), коэффициент радиальной дифференциации имеет аналогичную закономерность распределения по профилю относительно отдаления от комбината. Наибольшее закрепление тяжелых металлов приурочено к районам вблизи комбината (точки сбора № 8, 27). В дальних участках (точка 15) коэффициент распределен по профилю равномерно, с незначительным увеличением в верхних горизонтах. Данное обстоятельство свидетельствует о меньшем поступлении тяжелых металлов в почву на данном участке, в связи с чем степень накопления в горизонтах незначительная.

В меридиональном и широтном направлениях коэффициент радиальной дифференциации Zn, Cd, Pb, Cu зависит от степени поступления металлов с атмосферными потоками и наличию геохимических барьеров в почве. Вблизи комбината, из-за своей более высокой массы по сравнению с газовой частью, происходит оседание смеси аэрозольных фракций, содержащих взвешенные частицы. Данные компоненты аэрозоля в большей степени содержат медь и цинк [Геохимия окружающей среды, 1990]. За счет более быстрого оседания крупных аэрозольных фракций и более медленного перехода в подвижное состояние и поступления в почву происходит накопление тяжелых металлов, не свойственное для данных областей. С отдалением от эмиссии тяжелые металлы поступают с газовой фракцией в виде ионной формы, тем самым быстрее вовлекаются в геохимический круговорот, закрепляясь или мигрируя в почвенном профиле.

Наряду с внутрипочвенным потоком вещества, обусловленным физико-химическими параметрами, важную роль в формировании ландшафтов играет горизонтальный перенос веществ, или латеральная дифференциация. В зависимости от значений коэффициента латеральной дифференциации, равному отношению содержания элемента в подчиненном ландшафте к его содержанию в автономном, выделяются определенные виды и разновидности элементов (табл. 2).

В меридиональном направлении с южной стороны от источника эмиссии компоненты ландшафтов имеют транзитно-сопряженную разновидность в верхних горизонтах, где L < 0,7 (рис. 7), что zj обусловливается горизонтальной миграцией вещества к сопряженным ландшафтам. К нижним горизонтам происходит преобразование g gj в монотонно-сопряженные комплексы, что свидетельствует о равномерном распределении тяжелых металлов относительно соседних компонентов ландшафтов.

Таблица 2

Виды и разновидности латеральной дифференциации элементов [Геннадиев, Касимов, 2004] [Types and varieties of lateral differentiation of elements [Gennadiev, Kasimov, 2004]]

Примечание: L - коэффициент латеральной дифференциации элементов.

[Note. L - the coefficient of lateral differentiation of elements.]

Рис. 7. Латеральная дифференциация тяжелых металлов в почве в меридиональном направлении: а - цинк; b - кадмий; с - свинец; d - медь

Fig. 7. Lateral differentiation of heavy metals in the meridional direction:

a - zinc; b - cadmium; c - lead; d - copper

Рис. 8. Латеральная дифференциация тяжелых металлов в широтном направлении: а - цинк; b - кадмий; с - свинец; d - медь

Fig. 8. Lateral differentiation of heavy metals in the latitudinal direction.

a - zinc; b - cadmium; c - lead; d - copper

Севернее комбината (районы отбора проб № 3 и 23) верхние горизонты имеют аккумулятивный сопряженный характер, где коэффициент L > 1,3 (см. рис. 7). В описываемых районах происходит накопление тяжелых металлов за счет преобладания воздушных масс в данном направлении и незначительной отдаленности от источника эмиссии, что также подтверждается наиболее высокой разовой приземной концентрацией исследуемых элементов (см. рис. 2). С глубиной коэффициент латеральной дифференциации изменяется до величины L < 0,7 (см. рис. 7), что свидетельствует о переносе веществ в сопряженные районы. С отдалением от комбината в северном направлении латерально-миграционная дифференциация имеет транзитный сопряженный тип. В районах отбора проб № 24 и 10 коэффициент L < 0,7 (см. рис. 7), что характеризует миграцию тяжелых металлов с сопряженных территорий.

В широтном направлении западнее комбината коэффициент латеральной дифференциации L < 0,7 в верхних горизонтах для Zn и Cu и по всему профилю - для Cd и Pb (рис. 8). Данные участки относятся к транзитным сопряженным разновидностям и характеризуются транспортом элементов в сопряженные районы. Вниз по профилю в местах отбора № 15 и 27 для Zn и Cu разновидность изменяется на аккумулятивную сопряженную, что свидетельствует о накоплении данных металлов в подчиненных районах № 27 (см. рис. 8). Восточнее источника эмиссии лишь средняя часть профиля для Pb и Cu характеризуется аккумуляцией в подчиненных ландшафтах. В остальных случаях происходит рассевание в подчиненные области по всем исследуемым элементам как в верхних горизонтах для Pb и Cu, так и по всему профилю для Zn и Cd. Так, в зависимости от изменений физико-химических процессов, происходит закрепление тяжелых металлов в разных частях почвенного профиля, как в виде прочных органоминеральных комплексов, так и в различных обменных формах с участием адсорбционных сил, что отмечается рядом зарубежных исследователей [Costa et al., 2014; Najafi, Jalali, 2016; Liu, Wang, Xue, 2017].

Выводы

Основные пути поступления тяжелых металлов в почвенный покров происходят с аэропромышленными выбросами в атмосферу. Дальность распространения поллютантов зависит от климатических условий местности и будет отличаться от используемых модельных расчетов. Тем не менее, общая закономерность будет соответствовать полученным расчетам: на расстоянии 2 км от источника эмиссии размер максимально разовой приземной концентрации в атмосферном воздухе, поступающей в час, для Zn - 42,48 мг/м³, Cd - 0,0648 мг/м³, Pb - 3,96 мг/м³, Cu - 2,16 мг/м³. В результате наличия комплекса сопряженных ландшафтных зон общая картина распространения тяжелых металлов и вовлечения их в геохимический круговорот объясняется принципом латеральной и радиальной дифференциации внутри компонентов системы, согласно которым основные транзитные участки располагаются в районах вблизи комбината.

Сопряженные системы выступают в качестве обменных участков с автономными областями. Данные подчиненные территории находятся в пониженных участках местности в радиусе порядка 8 км от источника эмиссии. Тем самым поступление поллютантов происходит еще за счет дополнительных потоков с сопряженных областей и нарушенных территорий. Такой двойной вклад нагрузки на подчиненные системы ведет к еще большей доли техногенной напряженности на ландшафтные комплексы и аккумуляции тяжелых металлов в районах, не подчиняющихся основному аэрогенному принципу распределения масс.

тяжелый металл почва медеплавильный комбинат

Библиографический список / Reference

Бичукина И.А. Методологические основы системы комплексного экологичсекого мониторинга промышленной площадки медеплавильного комбината: на примере ОАО «Святогор»: Дис. ... канд. геол.-мин. наук. Екатеринбург, 2008 [Bichukina I.A. Metodicheskie osnovy sistemy kompleksnogo ekologicheskogo monitoringa promyshlennoj ploshhadki medeplavil'nogo kombinata: na primere OAO “Svyatogor” [Methodical bases of system of complex ecological monitoring of an industrial site of copper-smelting combine: on the example of JSC Svyatogor]. PhD diss. Ekaterinburg, 2008.]

Бичукина А.И., Парфенова Л.П., Копенкина О.А. Факторы формирования геоэкологических условий территории Сорьинского хвостохранилища // Известия вузов. Горный журнал. 2008. № 8. С. 192-194. [Bichukina A.I., Parfenova L.P., Kopenkina O.A. Factors of formation of geoecological conditions of the territory Sor'inskogo tailings. News of Higher Institutions. Mining Journal. 2008. No. 8. Pp. 192-194. (In Russ.)]

Гаврилова И.П., Касимов Н.С. Практикум по геохимии ландшафта. М., 1989 [Gavrilova I.P., Kasimov N.S. Praktikum po geohimii landshafta [Workshop on landscape geochemistry]. Moscow, 1989.]

Геннадиев А.Н., Касимов Н.С. Латеральная миграция вещества в почвах и почвенно-геохимические катены // Почвоведение. 2004. № 12. С. 1447-1461. [Gennadiev A.N., Kasimov N.S. Lateral migration of substances in soils and soilgeochemical catenas. Soil Science. 2004. No. 12. Pp. 1447-1461. (In Russ.)]

Геохимия окружающей среды / Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др. М., 1990 [Saet Yu.E., Revich B.A., Yanin E.P. et al. Geohimiya okruzhayushhej sredy [Geochemistry of the environment]. Moscow, 1990.]

Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. М., 2008. Т. 1. [Greenwood N., Earnshaw A. Himiya elementov [Chemistry of the elements]. Translated from English. Moscow, 2008. Vol. 1.]

Классификация и диагностика почв России / Шишов Л.Л., Тонконогова В.Д., Лебедева И.И. и др. Смоленск, 2004. [Shishov L.L., Tonkonogovа V.D., Lebedeva I.I. et al. Klassifikatsiya i diagnostika pochv Rossii [Classification and diagnostics of soils in Russia]. Smolensk, 2004.]

Лянгузова И.В., Гольдвирт Д.К., Фадеева И.К. Пространственно-временная динамика загрязнения Al-Fe-гумусового подзола в зоне влияния комбината цветной металлургии // Почвоведение. 2016. № 10. C. 1261-1276. [Lyanguzova I.V., Goldwirt D.K., Fadeeva I.K. Spatio-temporal dynamics of Al-Fe-humus podzol contamination in the zone of influence of the nonferrous metallurgy plant. Soil Science. 2016. No. 10. Pp. 1261-1276. (In Russ.)]