Лянгузова И. В., Баркан В. Ш. Сравнительный анализ уровня загрязнения органогенного горизонта Al-Fe-подзолов и болотных почв в локальной зоне воздействия медно-никелевого комбината // Принципы экологии. 2019. № 4. С. 57–68. DOI: 10.15393/j1.art.2019.9502

Выпуск № 4

Оригинальные исследования

pdf-версия статьи

332.368

Сравнительный анализ уровня загрязнения органогенного горизонта Al-Fe-подзолов и болотных почв в локальной зоне воздействия медно-никелевого комбината

Введение

В настоящее время в зоне воздействия предприятий цветной металлургии наблюдаются нарушения в функционировании биогеоценозов вплоть до полной их деградации с формированием техногенных пустошей (Влияние…, 1990; Лукина, Никонов, 1996; Barcan, 2002а; Kozlov, Zvereva, 2007; Динамика…, 2009; Кашулина и др., 2018). Эродированные почвы часто имеют повышенную кислотность, обеднены элементами питания и загрязнены различными ТМ (Влияние…, 1990; Динамика…, 2009; Евдокимова и др., 2011; Кашулина и др., 2016; Лянгузова и др., 2016; Barcan, 2002b; Kozlov et al., 2009).

На равнинной территории Кольского полуострова преобладают низкопродуктивные лишайниковые и кустарничково-зеленомошные еловые и сосновые леса на Al–Fe-гумусовых подзолах, а также болота или заболоченные территории, для которых характерны почвы болотного типа (Переверзев, 2006; Лукина и др., 2010; Национальный…, 2011). Для биогеоценозов особое значение имеет органогенный (для подзолов) или торфяной (для болотных почв) горизонт, который в значительной степени определяет химические свойства, водный и тепловой режим верхнего корнеобитаемого слоя почв, является областью концентрации сосущих корней, банка семян, средой обитания абсолютного большинства видов грибов, микроорганизмов и беспозвоночных и оказывает существенное влияние на организацию и функционирование лесного фитоценоза. В связи с этим представляет интерес сравнительный анализ уровня загрязнения органогенных горизонтов Al–Fe-гумусовых подзолов и болотных торфяных почв, на которых произрастают хвойные леса.

Цель работы – выявить общие закономерности и особенности загрязнения верхних горизонтов Al–Fe-гумусовых подзолов и торфяных болотных почв в близко расположенных лесных и болотных местообитаниях в зоне воздействия атмосферных выбросов комбината «Североникель» (Мурманская обл.).

Материалы

Лапландский государственный природный биосферный заповедник и его охранная зона, на территории которых были проведены исследования, расположены в центральной части Кольского полуострова в северотаежной лесной зоне, где распространены Al–Fe-гумусовые подзолы и болотные почвы. Вся исследуемая территория подвергается воздействию атмосферных выбросов комбината «Североникель», основными ингредиентами которых являются диоксид серы и полиметаллическая пыль, где преобладают сульфиды и оксиды металлов, а также металлические Ni и Cu (Barcan, 2002a, b). Динамика объемов атмосферных выбросов ТМ представлена на рис. 1.

 

Рис. 1. Динамика объемов атмосферных выбросов Ni и Cu комбината «Североникель» за период с 1990 по 2016 г. (по официальным опубликованным данным). 1 – Ni, 2 – Cu

Fig. 1. Dynamics of atmospheric emissions of Ni and Cu of the Severonickel plant  from 1990 to 2016 (according to official published data). 1 – Ni, 2 – Cu

 

Для почвенного опробования подбирали по возможности близко расположенные лесные и болотные местообитания соответстенно с подзолами и болотными торфяными почвами (рис. 2, табл. 1). В результате аэротехногенного загрязнения в радиусе примерно 5 км от комбината «Североникель» сформировалась техногенная пустошь со смытым верхним органогенным горизонтом почвы, поэтому наиболее близко расположенный пункт почвенного опробования № 24 находился лишь в 6.5 км от комбината.

Рис. 2. Карта-схема территории почвенного опробования: кружки – болотные торфяные почвы; треугольники – подзолы

Fig. 2. Map-scheme of soil testing territory: circles – peat bog soils; triangles – podzols

 

Таблица 1. Характеристика пунктов отбора почвенных проб и валовое содержание тяжелых металлов в верхнем органогенном горизонте почв

№ пункта отбора проб	Местоположение пункта отбора проб	Тип почвы*	Географические координаты пункта отбора проб**		Расстояние от комбината, км	Содержание, мг/кг
			с. ш.	в. д.		Ni	Cu
1	Чунозерская усадьба	1	67.650	32.650	33.2	340	323
		2	67.653	32.639	33.0	120	188
2	Устье р. Нижняя Чуна (близ Курт-Варенч)	1	67.628	32.733	34.8	275	94
		2	67.628	32.733	34.8	130	70
3	Берег Охтозера, водораздел Чуна-Охта	1	67.688	32.272	37.6	117	113
		2	67.692	32.275	37.2	77	39
4	Северный берег Чунозера	1	67.650	32.517	35.2	46	34
		2	67.650	32.517	35.2	125	51
5	Южный берег Чунозера	1	67.681	32.300	37.4	63	36
		2	67.683	32.289	37.5	113	73
6	Южный берег Чунозера	1	67.633	32.467	37.8	110	44
		2	67.633	32.467	37.8	252	146
7	183 км дороги М-18	1	67.575	32.583	42.0	205	126
		2	67.575	32.583	42.0	185	101
8	191 км дороги М-18	1	67.558	32.450	45.7	45	92
		2	67.550	32.450	46.6	43	19
9	Долина р. Курки	1	67.683	32.909	28.0	293	256
		2	67.693	32.911	27.0	847	347
10	Губа Воронья (оз. Имандра)	1	67.828	33.063	14.2	676	–***
		2	67.822	33.063	14.7	2541	1771
11	Губа Сучья (оз. Имандра)	1	67.811	32.986	14.5	1050	917
		2	67.810	32.986	14.6	1103	608
12	Губа Кулебячья (оз. Имандра)	1	67.769	32.933	18.6	540	485
		2	67.775	32.922	17.9	1805	1105
13	Ручей Ястребиный	1	67.726	33.028	24.0	348	329
		2	67.726	33.028	24.0	303	190
14	Губа Кислая	1	67.703	32.972	26.1	350	–
		2	67.703	32.972	26.1	350	330
15	Разъезд Ягельный Бор	1	68.050	33.167	17.5	90	63
		2	68.058	33.261	21.0	258	176
16	Устье р. Малая Куна	1	67.953	33.339	19.2	63	68
		2	67.953	33.339	19.2	108	69
17	Печ-озеро, нижний конец	1	68.014	33.472	26.2	42	61
		2	68.014	33.472	26.2	82	61
18	Долина Чуны ниже Суэнь-лага	1	67.867	32.267	26.8	47	43
		2	67.867	32.267	26.8	78	33
19	Оз. Верхний Ташким	1	67.983	32.283	25.5	29	27
		2	67.983	32.283	25.5	57	27
20	Губа Пустая (оз. Имандра)	1	67.967	33.250	15.8	123	156
		2	67.974	33.261	16.5	290	130
21	Сухой порог (оз. Монче)	1	68.106	32.792	19.4	1600	900
		2	68.106	32.792	19.4	660	240
22	Пивнус губа (оз. Монче)	1	68.042	32.850	12.0	900	570
		2	68.042	32.850	12.0	680	725
23	Койм озеро, верхний конец	1	67.976	33.225	15.1	275	189
		2	67.978	33.189	13.7	170	50
24	Имандра, Монче-губа, ЮЗ берег	1	67.925	33.033	6.5	503	302
		2	67.925	33.033	6.5	420	270
25	Имандра, берег против Койм о-ва	1	67.940	33.150	11.3	200	169
		2	67.944	33.156	11.5	170	50
26	Ольховый мыс (оз. Имандра)	1	67.904	33.133	11.1	652	290
		2	67.904	33.133	11.1	240	100
27	Бобровая губа (оз. Имандра)	1	67.892	33.067	9.2	450	308
		2	67.892	33.067	9.2	170	160
28	Оз. Островское, западный берег	1	67.817	32.717	14.9	1400	–
		2	67.817	32.683	15.6	670	220
29	Оз. Островское, восточный берег	1	67.808	32.750	15.1	2500	1634
		2	67.807	32.750	15.3	1300	580
30	Оз. Кензис	1	67.718	32.672	25.7	513	222
		2	67.717	32.672	25.8	420	260
31	Оз. Ель-явр, северный конец	1	67.681	32.643	30.0	425	125
		2	67.683	32.650	29.7	275	125
32	Оз. Тулп, южный берег	1	67.714	32.617	27.0	700	294
		2	67.714	32.617	27.0	140	100
33	Оз. Купес	1	68.050	32.000	38.9	20	12
		2	68.050	32.000	38.9	60	38
34	Оз. Нявка, СЗ губа	1	68.039	31.939	41.0	23	12
		2	68.039	31.939	41.0	90	14
35	Устье Урд-реки	1	68.047	32.267	28.5	30	25
		2	68.047	32.267	28.5	80	22
36	Оз. Сиговое	1	68.058	32.122	34.5	30	27
		2	68.058	32.122	34.5	40	25
37	Между оз. В. Волчьим и Н. Волчьим	1	68.163	32.525	29.3	138	–
		2	68.163	32.525	29.3	180	60

Примечание. * – 1 – болотная почва; 2 – подзол. ** – географические координаты выражены в соответствии с приведенными на сайте https://yandex.ru/maps. *** - прочерк означает, что данных нет.

Методы

В каждом пункте пробы органогенного горизонта Al-Fe-гумусовых подзолов и верхнего (0–5 см) горизонта болотных торфяных почв отбирали из трех точек, расположенных по треугольнику со стороной 50–100 м, затем индивидуальные пробы объединяли в одну среднюю пробу.

Навески почвенных проб нагревали в царской водке (смеси концентрированных кислот HNO₃ и HCl). Содержание металлов в отфильтрованном растворе определяли атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре ААS‑36. Относительная ошибка определения каждого металла не превышала 10–15 %, погрешность определений соответствует нормам погрешности при определении химического состава минерального сырья по III категории точности (ОСТ 41-08-212-04). Контроль правильности и точности результатов анализа осуществлен в соответствии с ОСТ 41-08-214-04 и ОСТ 41-08-265-04.

Статистическую обработку результатов анализов проводили с помощью пакетов Excel и Statistica. Проведенная проверка распределений содержания ТМ в почвах на соответствие нормальному распределению показала значимое несоответствие этому закону, поэтому для оценки значимости различий применяли непараметрические критерии Краскела – Уоллиса, Манна – Уитни и Вилкоксона.

Результаты

Средние значения валового содержания ТМ в верхних горизонтах болотных почв и подзолов составляют: Ni – 402 ± 84 и 387 ± 85; Cu – 247 ± 57 и 226 ± 56 мг/кг соответственно, что в 10–40 (Ni) и 6–25 (Cu) раз превосходит региональные фоновые величины. Согласно критерию Манна – Уитни, оба типа почв значимо не различаются ни по валовому содержанию Ni (z = –0.24, p = 0.81), ни по валовому содержанию Cu (z = 0.39, p = 0.69). Интервалы варьирования содержания ТМ в сравниваемых типах почв также близки, для болотных почв: Ni – 40–2540, Cu – 14–1770, для подзолов: Ni – 20–2500, Cu – 12–1635 мг/кг (см. табл. 1). Нижний предел варьирования содержания ТМ в обоих типах почв близок к региональным фоновым значениям (10–40 мг/кг). Превышение максимальных значений содержания Ni и Cu над минимальными составляло в болотных почвах 64 и 126 раз, в подзолах – 125 и 136 раз соответственно. Наименьшими концентрациями Ni и Cu характеризуются почвы пунктов отбора проб № 8, 17–19, 33–36, наиболее удаленных от комбината либо экранируемых сопками от источника атмосферных выбросов загрязняющих веществ (см. табл. 1, рис. 2). Максимальные значения содержания ТМ отмечены в пунктах отбора проб № 10 и 29, удаленных в южном направлении примерно на одинаковое расстояние (15 км) от комбината.

Как видно из рис. 3, отношение концентраций Ni или Cu в болотных почвах к их соответствующему содержанию в подзолах может быть как меньше 1, так и больше 1, и варьирует в достаточно широком интервале от 0.3 до 5.0 раз, при этом минимальные и максимальные различия наблюдаются в разных пунктах отбора проб. Так, например, минимальные различия (0.3 раза) в отношении содержания Ni в болотных почвах к его концентрации в подзолах отмечены в пункте отбора проб № 6, для Cu – в № 34, а максимальные (4.8–5.0) – в пунктах отбора проб № 8 и 32 соответственно. Сопоставление данных табл. 1 и рис. 2 показало, что в 46 % от общего числа проб валовое содержание Ni в болотных почвах больше или меньше такового в органогенном горизонте подзолов, одинаковое содержание этого металла в обоих типах почв наблюдается лишь в 8 % случаев. В болотных почвах валовое содержание Cu в 55 % случаев больше по сравнению с этой величиной в подзолах, в 27 % случаев это соотношение имеет обратную величину, и в 12 % случаев содержание Cu одинаково в сравниваемых почвах. Следует отметить, что в большинстве случаев соотношение валовых концентраций ТМ в почвах изменяется синхронно, т. е. если содержание Ni больше в болотных почвах, то и содержание Cu также больше по сравнению с этими величинами в органогенном горизонте подзолов (см. табл. 1).

 

Рис. 3. Отношение содержания Ni или Cu в верхнем горизонте болотных почв к его содержанию в органогенном горизонте подзолов: 1 – Ni, 2 – Cu

Fig. 3. The ratio of the content of Ni or Cu in the upper horizon of bog soils to its content in the organogenic horizon of podzols: 1 – Ni, 2 – Cu

Сравнительный анализ отношения Ni/Cu в болотных почвах и подзолах показал, что практически во всех случаях в обоих типах почв это отношение больше 1, лишь в 5 % проб подзолов и 12 % проб болотных почв это отношение меньше 1. Интервал варьирования отношения Ni/Cu достаточно широк и составляет в болотных почвах 0.5–3.4, в подзолах – 0.6–6.4 раза. Критерий Вилкоксона подтвердил значимое превышение содержания Ni над содержанием Cu как в болотных почвах (z = 4.1, p = 0.0000), так и в подзолах (z = 4.9, p = 0.0000). Это вполне объяснимо, т. к. в составе атмосферных выбросов в период исследований содержание техногенных соединений Ni превышало соответствующее содержание Cu (см. рис. 1).

Для оценки пространственного распределения содержания ТМ в верхних горизонтах почв все пункты почвенного опробования были разделены на квадранты по отношению к источнику загрязнения: северо-восточный, юго-восточный, юго-западный и северо-западный. Сопоставление данных о содержании Ni и Cu в исследуемых почвах показывает, что наименьшие концентрации ТМ в почвах обоих типов отмечаются в северо-восточном квадранте, а максимальные значения этого показателя наблюдаются в юго-восточном направлении от комбината (табл. 2). Согласно критерию Краскела – Уоллиса, между содержанием ТМ в исследуемых почвах в разных квадрантах существуют значимые различия: в болотных почвах – z_Ni =9.39, p = 0.024; z_Cu = 9.34, p = 0.025; в подзолах соответственно z_Ni = 8.69, p = 0.041; z_Cu = 8.84, p = 0.032. Однако, вследствие очень большого интервала варьирования концентраций ТМ во всех рассматриваемых направлениях от комбината (см. табл. 2), значимые различия, согласно критерию Манна – Уитни, в содержании Ni и Cu в обоих типах исследуемых почв выявлены только между северо-восточным и юго-восточным квадрантами (z_Ni = 3.32, p = 0.001; z_Cu= 3.20, p = 0.001). Это можно объяснить преобладанием ветров, дующих в южном направлении от г. Мончегорска (Архив…, 2018). Соотношение Ni > Cu сохраняется в обоих типах почв во всех направлениях от источника загрязнения, что, как уже говорилось выше, обусловлено соотношением техногенных соединений Ni и Cu в атмосферных выбросах комбината.

 

Таблица 2. Среднее содержание Ni и Cu в верхних горизонтах болотных почв и подзолов в разных направлениях от комбината «Североникель»

Направление от комбината	Содержание ТМ в болотных почвах, мг/кг		Содержание ТМ в подзолах, мг/кг
	Ni	Cu	Ni	Cu
Северо-восток	120 ± 93* (42–275)	107 ± 61 (60–190)	182 ± 90 (82–290)	97 ± 54 (50–175)
Юго-восток	530 ± 247 (200–1050)	400 ± 246 (170–920)	790 ± 854 (170–2540)	510 ± 575 (50–1770)
Юго-запад	470 ± 663 (45–2500)	245 ± 411 (35–1635)	320 ± 356 (43–1300)	157 ± 150 (20–580)
Северо-запад	345 ± 590 (20–1600)	225 ± 360 (12–900)	230 ± 274 (40–680)	144 ± 246 (14–725)

Примечание. * – представлены средние значения со стандартными отклонениями, в скобках приведены минимальные и максимальные значения.

 

Корреляционный анализ данных выявил значимую связь между содержанием ТМ в обоих типах почв и расстоянием от комбината, однако значения коэффициентов корреляции не слишком велики, для болотных почв: r_Ni = –0.45, r_Cu = –0.47, p < 0.05; для подзолов: r_Ni = –0.43, r_Cu = –0.41, p < 0.05. 

Обсуждение

Сопоставление валового содержания ТМ в верхних горизонтах болотных почв и подзолов с их предельно допустимыми концентрациями (ПДК) (Предельно допустимые концентрации…, 2006) в почвах показало, что оно в среднем превышает ПДК по Ni в 10 раз, по Cu – 7 раз в обоих типах почв. Интервал варьирования этого показателя для болотных почв достаточно широкий и составляет 0.5–63 (Ni) и 0.4–50 (Cu) раз, для подзолов соответственно 1.0–64 и 0.4–54 раза. В пунктах отбора почвенных проб № 4, 5, 8, 17–19, 33–36 диапазон превышения ПДК составляет 0.4–2 раза, т. е. можно констатировать, что здесь практически отсутствует техногенное загрязнение почв тяжелыми металлами. Максимальный уровень загрязнения подзолов отмечается в пункте отбора проб № 10, а болотных почв – № 29, где превышение ПДК составляет соответственно по Ni 63 и 64 раза, по Cu – 50 и 54 раза, что свидетельствует об очень высоком уровне загрязнения почв ТМ. Однако можно предположить, что вследствие лучшей обеспеченности влагой фитотоксичность болотных почв меньше по отношению к лесной подстилке подзолов. Эта гипотеза получила подтверждение в работах (Кашулина, 2017, 2018; Кашулина и др., 2018). При исследовании распределения общего содержания Ni, Сu, Со, Cd, Pb и Zn в профиле почв шести катен в локальной зоне воздействия медно-никелевого предприятия авторы пришли к заключению, что именно лучшие условия увлажнения в подчиненных элементах ландшафта обусловливают значительно более высокую устойчивость сосудистых растений в этих условиях к воздействию техногенного фактора, даже при экстремальном его уровне.

Заключение

В результате проведенного сравнительного анализа уровня загрязнения верхних горизонтов торфяных болотных почв и Al–Fe-гумусовых подзолов в зоне воздействия атмосферных выбросов комбината «Североникель» (г. Мончегорск, Мурманская обл.) установлено отсутствие значимых различий в валовом содержании как Ni, так и Cu в сравниваемых типах почв. Нижние пределы варьирования содержания ТМ в обоих типах почв близки к региональным фоновым значениям и отмечаются либо в наиболее удаленных от источника загрязнения пунктах отбора проб, либо в экранируемых сопками местообитаниях. Средние значения валового содержания ТМ в исследуемых типах почв превышают региональные фоновые значения в 6–40 раз, что свидетельствует о высокой степени токсичности этих почв.

Уровень загрязнения ТМ верхних горизонтов почв варьирует в достаточно широком диапазоне от полного отсутствия до очень высокого (валовое содержание Ni и Cu превышает ПДК в 50–64 раза) и обусловлен удаленностью от источника атмосферных выбросов (r_Ni = –(0.43–0.45), r_Cu = –(0.41–0.47), p < 0.05), розой преобладающих ветров (в южном направлении от комбината средние значения содержания ТМ в обоих типах почв значимо больше по сравнению с их концентрациями в почвах северного направления) и орографией местности (экранирование сопками).

Отношение концентраций Ni/Cu практически во всех пробах исследуемых почв больше 1, т. е. содержание Ni почти всегда превышает таковое Cu независимо от типа почв, что обусловлено составом атмосферных выбросов техногенных соединений Ni и Cu.

При одинаковом уровне загрязнения почв ТМ экологические условия болотных местообитаний более благоприятны для растительности вследствие лучшей обеспеченности влагой болотных почв.

Библиография

Благодарности

Авторы благодарят к. б. н. А. Ю. Лянгузова, ведущего специалиста Ресурсного центра «Обсерватория экологической безопасности» Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета, за помощь в статистической обработке данных и представлении результатов исследования.