Введение
Вопросам экологического состояния арктических и приарктических территорий последнее десятилетие уделяется особое внимание, учитывая крайнюю уязвимость природной среды и малую устойчивость экосистем (Яшин, 2005; Шварцман, Болотов, 2006; Шварцман и др., 2006). Воздействие на природную среду северных территорий вызывает существенные изменения в природных компонентах. В значительной степени это обусловлено включением в миграционные потоки всех основных цепей техногенных токсикантов, в том числе тяжелых металлов (Strategic Action Program…, 2009; Heavy Metals in the Arctic, 2005; Обухов, Ефремова, 1998).
В связи с этим целью исследования было оценить уровень загрязнения почвенно-растительного покрова острова Большой Соловецкий тяжелыми металлами под влиянием постоянно возрастающей антропогенной нагрузки.
Материалы
Отбор проб почв и растений осуществлялся в рамках образовательного проекта «Комплексное развитие территории с уникальным природным и историко-культурным наследием на примере Соловецкого архипелага» (Летняя школа на Соловках) в период с 1 по 10 июля 2015 года. На острове Большой Соловецкий было заложено 6 пробных площадей (ПП), в качестве контрольных (фоновых) была выбрана условно чистая почва без антропогенной нагрузки (рис. 1).
Рис. 1. Места отбора проб
Fig.1. Sample harvesting points
С этих территорий отобраны образцы поверхностного слоя (0–20 см) почв согласно ГОСТ 17-4-4-02-84 и разнотравья согласно ГОСТ 27262-87.
Оценку экологического состояния компонентов (почвы и разнотравье) экосистемы острова Большой Соловецкий по отношению к тяжелым металлам проводили как по санитарно-гигиеническим показателям: ПДК, МДУ (ГОСТ 2874-82; СанПиН 2.1.4.1074-01:4630-88; МУ 2.1.7.730-99; ГН 2.1.7.2511-09; СанПиН 2.1.7.573-96), так и с помощью биогеохимических коэффициентов и шкал экологического нормирования.
На основе коэффициента концентрации
Ко = С / ПДК,
где С – фактическая концентрация определяемого металла в почве, рассчитывали суммарный показатель загрязнения Zc (МУ 2.1.7.730-99):
Zc = ∑((С – ПДК)/ПДК) + 1.
Однако, поскольку Ко не учитывает региональные особенности содержания металлов, был рассчитан другой коэффициент:
Кс = С/С0 ,
где С0 – региональное фоновое содержание элемента.
Наряду с этим был определен коэффициент биогеохимической подвижности:
Кбгхп = С в растении / С ПФ в почве
(Уфимцева, Терехина, 2005), позволяющий оценить актуальную доступность тяжелых металлов для растений.
Методы
Химический анализ отобранных образцов был выполнен на базе лаборатории биогеохимических исследований при кафедре химии и химической экологии Северного (Арктического) федерального университета с использованием оборудования ЦКП НО «Арктика» (САФУ) при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (уникальный идентификатор работ RFMEFI59414X0004).
Гранулометрический состав почв определяли методом отмучивания по общепринятой методике (ISO 11277). Кислотность почвенного раствора (рН водной вытяжки) – согласно ГОСТ 26423-85, определение органического вещества – согласно ГОСТ 26213-91.
Валовое содержание тяжелых металлов (Co, Ni, Mn, V, Pb, Zn, Cu, Fe, Cr, Ti, Sr) в почвах определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) согласно М 049-П/04 с использованием спектрофотометра «СПЕКТРОСКАН-МАКС».
Методом атомно-абсорбционной спектроскопии с применением атомно-абсорбционных спектрометров «ContrAA-700» и «AA-7000» определяли: содержание подвижных форм металлов (Pb, Zn, Cu, Ni, Co, Mn) согласно РД 52.18.289-90 из ацетатно-аммонийной буферной вытяжки; содержание ТМ (Pb, Zn, Cu, Ni, Co, Mn) в разнотравье согласно ГОСТ 30692-2000 после сухого озоления.
Исследования проб проводились в трехкратной повторности. Полученные данные обрабатывались общепринятыми методами математической статистики с использованием редактора электронных таблиц MS Excel и SPSS. Проверка на нормальность распределения осуществлялась с помощью критерия Шапиро – Уилка. Корреляционный анализ проводился с помощью коэффициента ρ Спирмена. Для всех приведенных анализов различия считались значимыми при уровне р < 0.05.
Результаты
Анализ физико-химических параметров (табл. 1) показал, что большинство исследованных почв острова Большой Соловецкий имеют тяжелый гранулометрический состав; рН водной суспензии исследованных почв в основном находится в пределах 7.11–7.78, при средних фоновых значениях 5.01 рН. В связи с тем что почвы имеют сдвиг рН в щелочную сторону, данный параметр является одним из ключевых в снижении миграции химических элементов и увеличении их аккумуляции по сравнению с природными почвами.
Таблица 1. Пробные площади о. Большой Соловецкий с различной антропогенной нагрузкой и физико-химические показатели почв
| № ПП | Координаты пробных площадей | Источник антропогенной нагрузки | pH | Содержание, % | |
| органического углерода | физической глины | ||||
| 1 | 65º01’15”C, 35º42’11”B | Жилой район | 5.5 | 10.7 | 42.2 |
| 2 | 65º01’22”C, 35º42’24”B | Жилой район | 7.2 | 12.3 | 30.9 |
| 3 | 65º01’22”C, 35º42’28”B | Сухой док | 7.2 | 30.3 | 65.2 |
| 4 | 65º01’22”C, 35º42’28”B | Сухой док | 7.1 | 45.6 | – |
| 5 | 65º01’47”C, 35º43’19”B | Аэропорт | 7.2 | 10.6 | 29.1 |
| 6 | 65º01’46”C, 35º43’19”B | Аэропорт | 7.8 | 7.6 | 33.1 |
| 7 | ФОН | Нет | 5.0 | 4.8 | 8.3 |
Содержание органического углерода довольно высокое и колеблется от 7.6 до 45.6 %. Такие высокие показатели могли стать результатом промышленного загрязнения (компоненты нефти и продукты ее крекинга, сорбированные почвенными частицами в местах разлива нефтепродуктов, углерод техногенного происхождения из строительного и бытового мусора, региональное загрязнение почв атмосферными углеводородными выбросами и др.).
Анализ валового содержания (ВС) тяжелых металлов показал (табл. 2), что исследуемые почвы загрязнены Pb и Zn. На 5 пробных площадях наблюдается превышение от 2 до 318 ПДК по свинцу, на 4 ПП превышение от 2 до 9 ПДК по Zn. На отдельных участках наблюдается повышенное (до 1.5 ПДК) содержание Mn. Валовое содержание других ТМ ниже ПДК, поэтому по санитарно-гигиеническим показателям исследованные почвы по степени загрязнения можно отнести к категории «допустимая», исключение составляют 2 пробные площади. Их по уровню химического загрязнения следует считать «чрезвычайно опасными» из-за крайне высокого валового содержания Pb и Zn.
Таблица 2. Валовое содержание тяжелых металлов, мг/кг, в почвах о. Большой Соловецкий
| № ПП | Pb | Zn | Cu | Ni | Co | Fe | Mn | Cr | V | Ti | Sr |
| 1 | 19 | н/д | 10 | 4 | 16 | 5910 | 312 | 60 | 11 | 659 | 330 |
| 2 | 120 | 194 | 17 | 12 | 13 | 8813 | 583 | 63 | 26 | 899 | 336 |
| 3 | 10172 | 514 | 43 | 42 | 20 | 22683 | 801 | 86 | 63 | 2278 | н/д |
| 4 | 8044 | 681 | 36 | 34 | 8 | 38120 | 2202 | 74 | 20 | 1079 | н/д |
| 5 | 61 | 28 | 27 | 25 | 21 | 12485 | 380 | 74 | 52 | 1918 | 335 |
| 6 | 189 | 57 | 24 | 21 | 14 | 8953 | 357 | 77 | 45 | 1379 | 336 |
| Медиана | 155 | 125 | 26 | 23 | 15 | 10719 | 481 | 74 | 36 | 1229 | 333 |
| ФОН | 25 | 10 | 20 | 10 | 15 | 874 | 135 | 80 | 10 | 150 | 356 |
| ПДК | 32 | 87 | 53 | 85 | 50 | н/д | 1500 | 100 | 150 | н/д | н/д |
| ОДК | 130 | 220 | 132 | 80 | н/д | н/д | н/д | н/д | н/д | н/д | н/д |
Примечание: н/д – нет данных.
Согласно Ко (табл. 3) превышение ПДК не отмечается в отношении Сu, Co, Ni, Cr и V. Для Сo, Sr и Cr установлено, что отсутствует статистически значимое превышение фоновых значений всех исследованных пробных площадей (К0 < 1.5). Однако в отношении Cu и Ni наблюдается слабое загрязнение почв (1.5 < К0 < 3.0).
Таблица 3. Коэффициенты концентрации тяжелых металлов для почв о. Большой Соловецкий
| ТМ | Pb | Zn | Cu | Ni | Co | Fe | Mn | Cr | V | Ti | Sr |
| Коэффициенты концентрации Ко (относительно ПДК) | |||||||||||
| Min | 0.6 | 0.1 | 0.2 | 0.1 | 0.2 | – | 0.2 | 0.6 | 0.1 | – | – |
| Max | 318.0 | 7.8 | 0.8 | 0.5 | 0.4 | – | 1.5 | 0.9 | 0.4 | – | – |
| Медиана | 4.8 | 1.4 | 0.5 | 0.3 | 0.3 | – | 0.3 | 0.7 | 0.2 | – | – |
| Коэффициенты концентрации Кс (относительно фона) | |||||||||||
| Min | 0.7 | 0.1 | 0.5 | 0.4 | 0.5 | 6.7 | 2.3 | 0.7 | 1.1 | 4.4 | 0.1 |
| Max | 407.0 | 68.0 | 2.1 | 4.3 | 1.4 | 44.0 | 16.0 | 1.1 | 6.3 | 15.0 | 0.9 |
| Медиана | 6.2 | 12.5 | 1.2 | 2.3 | 1.0 | 12.3 | 3.6 | 0.9 | 3.6 | 8.1 | 0.9 |
Отмечено умеренное загрязнение (3.0 < К0 < 5.0) почв острова V, Mn, Ti и Pb на 2 ПП.
Сильное (5.0 < К0 < 10.0) и очень сильное (К0 > 10.0) загрязнение Pb имеет поверхностный слой почв на 3 ПП, Zn – на 5 ПП, V и Mn – на 2 ПП, Ti – на 5 ПП, а Fe – на всех ПП.
В целом вследствие антропогенного воздействия в поверхностном слое почв острова Большой Соловецкий в основном накапливаются Pb, Zn, Fe и Ti, в почвах отдельных территорий – Mn и V. Ряд накопления тяжелых металлов в исследованных образцах острова Большой Соловецкий выглядит следующим образом: Pb > Zn > Fe >Ti > Mn > V > Ni > Cu > Co > Cr > Sr.
Рассчитанный на основе коэффициентов концентрации суммарный показатель загрязнения Zc показал на 4 исследуемых почвах допустимый уровень загрязнения (1 < Zc < 15) металлами по их валовому содержанию (Zc = 4–8), а на 2 площадях – опасный уровень загрязнения (33 < Zc < 128) ТМ по их валовому содержанию (Zc = 58–66).
Обсуждение
Известно, что валовое содержание металлов дает неполную характеристику экологического состояния почв. Исследования количественных соотношений геохимических форм нахождения металлов в загрязненных почвах позволяют прогнозировать процессы закрепления металлов в породах, предсказывать и предупреждать возможные экологические риски вторичного загрязнения окружающей среды. Поэтому помимо оценки загрязнения почв тяжелыми металлами по их валовому содержанию необходимо уделять особое внимание исследованию накопления их подвижных форм (ПФ), способных переходить из твердых фаз в почвенные растворы, поглощаться живыми организмами и загрязнять грунтовые воды. Поэтому для отдельных ТМ было определено содержание их подвижных форм (табл. 4).
Таблица 4. Содержание подвижных форм тяжелых металлов, мг/кг, в почвах о. Большой Соловецкий
| № ПП | Pb | Zn | Cu | Ni | Co | Mn |
| 1 | 6 | 15 | 0.1 | 0.3 | 0.1 | 30 |
| 2 | 23 | 88 | 0.9 | 1.6 | 0.1 | 60 |
| 3 | 3640 | 312 | 3.2 | н/д | 0.5 | 432 |
| 4 | 5280 | 80 | 4.9 | 0.2 | 0.2 | 81 |
| 5 | 11 | 11 | 1.7 | 0.4 | 0.1 | 29 |
| 6 | 77 | 24 | 8.8 | н/д | 0.1 | 38 |
| Meдиана | 17 | 48 | 1.3 | 0.4 | 0.1 | 45 |
| ПДК | 6 | 23 | 3.0 | 4.0 | 5.0 | 140 |
| Коэффициенты концентрации Ко (относительно ПДК) | ||||||
| Min | 1 | 0.5 | 0.1 | 0.01 | 0.02 | 0.2 |
| Max | 607 | 14 | 2.9 | 0.4 | 0.1 | 3.1 |
| Meдиана | 4 | 0.6 | 0.7 | 0.1 | 0.02 | 0.4 |
Анализ содержания подвижных форм показал, что основные поллютанты почв острова Большой Соловецкий – Pb, Zn и Cu. Подвижными формами свинца загрязнены (1.1–607 ПДК) все исследуемые почвы, цинка (1.1–13.5 ПДК) – 4 ПП, меди (1.1–3.0) – 3 ПП. Отсутствует загрязнение Mn, Ni и Co, а ряд накопления ТМ в почвах выглядит следующим образом: Pb > Zn > Cu > Mn > Ni > Co.
Согласно суммарному показателю загрязнения (Zc) на 4 исследуемых почвах – допустимый уровень загрязнения (1 < Zc <15) тяжелыми металлами (Zc = 1–7), а на 2 ПП – чрезвычайно опасный уровень загрязнения (Zc > 128) по содержанию подвижных форм ТМ (Zc = 619–882) за счет высокого содержания Pb и Zn.
Анализ аккумуляции металлов в надземной части разнотравья (табл. 5), собранного с тех же пробных площадей, что и проанализированные почвы, показал, что на отдельных ПП содержание всех ТМ в растениях превышает ПДК или МДУ. Практически по всем металлам, кроме Со и Ni, наблюдается статистически значимое превышение фоновых содержаний. Ряд накопления металлов в растениях по сравнению с их подвижными формами в почвах видоизменяется и выглядит следующим образом: Zn > Mn > Cu > Pb > Ni > Co. Это связано с низкой степенью подвижности свинца в почве и акропетальным характером его накопления растениями, при котором четко проявляется депонирующая роль корня. При проникновении Pb в корни растений происходит его хелатирование и, как следствие, уменьшение подвижности. Данный факт подтверждается рассчитанным коэффициентом биогеохимической подвижности (Кбгхп). Только для свинца он оказался ниже 1.0.
Согласно суммарному показателю загрязнения Zc разнотравье на 4 ПП острова Большой Соловецкий по градации В. А. Касатикова (1989) может быть отнесено к категории сильного загрязнения ТМ (Zc > 10.0) (см. табл. 5).
Таблица 4. Содержание тяжелых металлов, мг/кг, в разнотравье о. Большой Соловецкий
| ТМ | Pb | Zn | Cu | Ni | Co | Mn |
| Min | 1 | 107 | 36 | 3 | 0 | 173 |
| Max | 46 | 450 | 74 | 6 | 1 | 633 |
| Медиана | 42 | 301 | 17 | 3 | 0,5 | 228 |
| ФОН | 4 | 18 | 9 | 3 | 1 | 51 |
| ПДК | 5 | 150–300 | 15–20 | 20–30 | – | н/д |
| МДУ | 5 | 50 | 30 | 3 | 1 | н/д |
| Коэффициенты концентрации Кс (относительно фона) | ||||||
| Min | 0.3 | 6.0 | 4.0 | 1.1 | 0.1 | 3.4 |
| Max | 11.5 | 25.0 | 8.2 | 2.1 | 1.1 | 12.4 |
| Медиана | 4.2 | 16.7 | 4.6 | 1.0 | 0.5 | 4.5 |
| Коэффициенты биогеохимической подвижности (Кбгхп) | ||||||
| Min | 0.01 | 1.2 | 7.3 | 0.1 | 0.1 | 0.5 |
| Max | 1.4 | 15.2 | 437.5 | 13.8 | 5.0 | 20.9 |
| Медиана | 0.6 | 3.2 | 47.0 | 1.8 | 1.2 | 2.1 |
Заключение
Таким образом, проведенные исследования показали, что исследуемые территории острова Большой Соловецкий испытывают существенную антропогенную нагрузку, что приводит к накоплению тяжелых металлов. Основными поллютантами почвенного покрова являются цинк и свинец, превышение ПДК и фоновых значений по которым достигает на отдельных пробных площадях критических значений. Растительный покров по аккумулированию тяжелых металлов также испытывает сильное загрязнение.
Библиография
Яшин И. М. Почвы северотаежных ландшафтов острова Большой Соловецкий Архангельской области // Почва как природный ресурс Севера: Материалы VII Сибирцевских чтений, посвящ. 145-летию со дня рождения ученого-почвоведа Н. М. Сибирцева. Архангельск, 2005. С. 23–26.
Шварцман Ю. Г., Болотов И. Н. Оценка экологической ситуации Европейского Севера России в рамках научного сотрудничества: мониторинг природной среды Соловецких островов, проведение и перспективы, 2003–2007 // Баренц-журнал. 2006. № 1(4). С. 93–101.
Шварцман Ю. Г., Болотов И. Н., Феклистов П. А. Основные итоги работы научно-практической конференции «Мониторинг природной среды Соловецкого архипелага: предварительные результаты и дальнейшие перспективы» // Вестник Северного (Арктического) федерального университета. Серия: Естественные науки. 2006. № 2. С. 26–35.
Обухов А. Я., Ефремова Л. Л. Охрана и рекультивация почв, загрязненных тяжелыми металлами // Тяжелые металлы в окружающей среде и охрана природы: Материалы 2-й Всесоюзн. конф. М., 1988. Ч. 1. С. 23.
Уфимцева М. Д., Терехина Н. В. Фитоиндикация экологического состояния урбогеосистем Санкт-Петербурга . СПб.: Наука, 2005. 239 с.
Heavy Metals in the Arctic. Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP). Oslo, Norway, 2005. 265 p.
Strategic Action Program for Protection of the Russian Environment. Approved by Maritime Board at the Government of the Russian Federation. 2009. № 2 (11). Section 1. Par. 2.
© 2011 - 2024