Оценка техногенной трансформации почв в районе воздействия горно-металлургического комбината (на примере Красноуральского промузла) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.13, кандидат наук Маричев Максим Сергеевич

• Маричев Максим Сергеевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Маричев Максим Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Проблемы техногенного загрязнения ландшафтов

1.1 Основные факторы техногенного загрязнения окружающей среды

1.2 Трансформация техногенно загрязненных веществ в почвах

1.3 Методы оценки воздействия тяжелых металлов на ландшафты

1.4 Концепции критических нагрузок загрязняющих веществ

на экосистемы

1.5 Параметры, используемые для оценки устойчивости почв

к техногенному воздействию

Глава 2. Методика исследования территории Красноуральского промузла

2.1 Определение содержания тяжелых металлов и оценка степени загрязнения почв

2.2 Объекты исследования

Глава 3. Природные и экологические условия района исследования

3.1 История развития Красноуральского промузла

3.2 Природные условия территории

3.2.1 Геологические и геоморфологические факторы

3.2.2 Растительность природных и техногенных ландшафтов

3.2.3 Климатические факторы

3.3 Экологические факторы

Глава 4. Физико-химические свойства почв

4.1 Морфологические признаки почв

4.2 Гранулометрический состав

4.3 Кислотно-основные свойства почв

Глава 5. Влияние техногенной нагрузки на распределение тяжелых металлов в

геохимических ландшафтах

5.1 Внутрипрофильная дифференциация тяжелых металлов в геохимически сопряженных ландшафтах

5.1.1 Валовые формы

5.1.2 Подвижные формы

5.1.3 Водорастворимые формы

5.1.4 Фракционный состав тяжелых металлов

5.2 Геохимические аномалии тяжелых металлов

5.3 Эколого-геохимическая оценка состояния почвенного покрова территории исследования

Выводы

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка техногенной трансформации почв в районе воздействия горно-металлургического комбината (на примере Красноуральского промузла)»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Тяжелые металлы (ТМ) являются неотъемлемой частью литосферы. В процессах рудообразования появляются участки, содержащие целый ряд элементов данной группы с высокими концентрациями. На таких территориях в почвах геохимический фон тяжелых металлов может быть сильно завышен. За счет прохождения естественных процессов общее эколого-геохимическое состояние природных систем остается в норме и стабильно функционирует.

В результате техногенной деятельности горно-перерабатывающей промышленности геохимический фон содержания тяжелых металлов в почвах может быть увеличен. Из-за постоянного приноса в систему поллютантов происходит дестабилизация функционирования почв, нарушение и изменение ее основных физико-химических процессов и, как следствие, дальнейшая трансформация с образованием аномальных областей с высокими концентрациями тяжелых металлов.

Данная ситуация складывается в большинстве районов функционирования комбинатов цветной металлургии, что так же отражено в работах авторов [2, 13, 21-22, 73, 105-110, 115, 136, 141, 146-150, 161]. Одним из малоизученных районов с высокой техногенной активностью является Красноуральский промузел. За счет обильного количества выбрасываемых в атмосферу аэропромвыбросов поллютанты, входящие в состав данных выбросов, распространяются на значительные расстояния, среди которых присутствуют тяжелые металлы. Поступая в почву, происходит образование геохимических аномальных зон с высокими концентрациями тяжелых металлов в почвах. В результате почвы данных районов претерпевают изменения и становятся непригодными для хозяйственной деятельности человека. Для оценки потенциала использования почв в районах промышленных предприятий необходим контроль над уровнем их загрязнения. В связи с чем в данной работе производится комплексная оценка техногенной трансформации почв в зоне

интенсивной деятельности медеплавильного комбината в районе города Красноуральска.

Степень разработанности темы: В настоящее время большое внимание уделяется проблемам загрязнения почв и поиску оптимальных методов их восстановления. Уральский регион, как один из промышленных центров, привлек внимание целого ряда исследователей, изучающих вопросы техногенной загрязнённости почв: Асылбаев И.Г. [6], Водяницкий Ю.Н. [21-31], Суюндуков Я.Т. [105], Удачин В.Н. [108], Хабиров И.К. [109], Хасанова Р.Ф. [110-111]. Общие закономерности влияния различных факторов техногенеза на почвы изложены в работах Абакумова Е.В. [117]. В последнее время особое внимание уделяется особенностям распространения и закрепления различных форм тяжелых металлов в почвах, такими учеными, как Ладонин Д.В. [73-74] и Минкина Т.М. [79-80, 148]. Малоизученным районом территории Среднего Урала по вопросам техногенного загрязнения почв остается Красноуральский промузел. Для данного района Бичукиной И.А. [13] проводился комплексный экологический мониторинг территорий, прилегающих к комбинату, тем не менее в данных исследованиях не изучаются вопросы пространственной и внутрипрофильной динамики загрязнения почв, а также оценки её эколого-геохимического состояния на более отдаленных территориях от комбината.

Цель работы: выявить пространственные и внутрипрофильные особенности распределения тяжелых металлов в почвах района воздействия горно-металлургического комбината (на примере Красноуральского промузла), для оценки степени техногенной трансформации почв.

Задачи исследования:

1. Выявить основные источники техногенного поступления Zn, Pb, Cd и ^ в почвы.

2. Определить специфику изменения физико-химических свойств почв исследуемой территории.

3. Определить закономерности распространения валового содержания подвижных и водорастворимых форм Zn, Pb, Cd и Cu в почвах.

4. Исследовать фракционный состав Zn, Pb, Cd и Cu в почвах и особенности их распределения.

5. Выявить наличие геохимических аномалий в почвах.

6. Дать эколого-геохимическую оценку состоянию почв района Красноуральского промузла.

Научная новизна:

Впервые для территории Восточно-Тагильской зоны Тагило-Магнитогорского прогиба, относящегося к среднетаежной лесной зоне (на территории Красноуральского промузла), проведена интегральная оценка уровня геохимического полиэлементного загрязнения почв неорганическими токсикантами. Определены основные формы цинка, кадмия, свинца и меди в почвах, установлены их пространственные закономерности распределения и особенности влияния на основные физико-химические параметры почв.

Теоретическая и практическая значимость:

Результаты исследования, представленные в работе, отражают актуальное состояние почв. Установлены основные пути поступления тяжелых металлов в почвы, подверженные техногенной нагрузке. Определены закономерности распространения в почвах водорастворимых подвижных форм; обменных, связанных с карбонатами, с органическим веществом, с оксидами и гидроксидами железа и марганца, остаточных фракций цинка, кадмия, свинца и меди. Определено валовое содержание тяжелых металлов с выявлением геохимически аномальных зон. Дана эколого-геохимическая характеристика почв района исследования.

Практическая значимость работы заключается в возможности применения полученных результатов исследования в разработке рекреационных мероприятий по улучшению эколого-геохимического состояния территории. Полученные результаты могут способствовать составлению моделей

распространения тяжелых металлов в аналогичных районах техногенной нагрузки. Возможно использование данной работы в научно-практических целях при подготовке специалистов высшей школы по смежным направлениям подготовки, затрагиваемым тему диссертации.

Методология и методы исследования:

Методология бизировалась на поиске и анализе отечественной и зарубежной литературы по теме исследования. Произведен отбор почвенных образцов и последующая подготовка к химическому анализу согласно ГОСТ Р 53123 - 2008. Определены основные классические физико-химические параметры почв согласно общепринятым методикам и ГОСТам. Для выявления полиэлементного загрязнения почв определялись концентрации тяжелых металлов методом инверсионной вольтамперометрии по методике МУ 31-11/05, внесенной в Федеральный реестр методик измерений под номером: ФР.1.31.2005.02119. Выделение фракционного состава исследуемых тяжелых металлов в почвах проводилось последовательным экстрагированием по схеме Тессиера [161].

Положения, выносимые на защиту:

1. Изменение ключевых физико-химических параметров почв таежной зоны в условиях полихимического загрязнения (на примере Красноуральского промузла).

2. Региональная специфика динамики неорганических токсикантов в почве определяется их формами нахождения.

3. Интегративные показатели загрязнения почв как основа определения ее состояния и трансформации.

Апробация работы:

Основные положения и направления работы были изложены автором в виде устных докладов на: Международной научно-практической конференции «Научное обеспечение развития сельского хозяйства и снижение рисков в продовольственной сфере» (Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2017 г.);

Международной научной конференции XX Докучаевские молодежные чтения «Почва и устойчивое развитие государства» (Санкт-Петербург, СПбГУ, 2017 г.), II этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Минсельхоза России в категории «Аспиранты и молодые ученые» по Северо-Западному федеральному округу (Санкт-Петербург, СПбГАВМ, 2017 г.); III этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди, аспирантов и молодых ученых вузов Минсельхоза РФ (Оренбург, ОГАУ, 2017 г.); конкурсе на лучшую научно-исследовательскую работу среди молодых ученых в СПбГАУ (Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2018 г.); Международной научно-практической конференции «Наука и образование как основа устойчивого развития агропромышленного комплекса» (Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2018 г.); Международной научно-практической конференции «Развитие агропромышленного комплекса на основе современных научных достижений и цифровых технологий» (Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2019 г.); Международной научно-практической конференции молодых ученых и обучающихся «Роль молодых ученых и исследователей в решении актуальных задач АПК» (Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2019 г.); Международной научно-практической конференции «Современное состояние, традиции и инновационные технологии в развитии АПК» (Уфа, БГАУ, 2019 г.); Международной научно-практической конференции «Развитие агропромышленного комплекса на основе современных научных достижений и цифровых технологий» (Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2020 г.); Международном научно-практическом Форуме «Инновационное и устойчивое развитие сложных социально-экономических систем» в секции «Инновационные и энергосберегающие технологии в условиях цифровизации агропромышленного производства» (Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2019 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в 9 научных работах, в том числе 4 статьи в журналах входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, и 1 в журнале, входящем в базы цитирования Scopus и Web of Science.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 209 страницах. Содержит 11 таблиц, 49 рисунков и состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 167 источников и 8 приложений.

Благодарности. Автор выражает особую благодарность научному руководителю кандидату сельскохозяйственных наук, доценту М.В. Шабанову за ценные консультации и советы при написании и проведении данной работы.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

ЛАНДШАФТОВ

1.1 Основные факторы техногенного загрязнения окружающей среды

Загрязнение окружающей среды происходит за счет внедрения человеком нехарактерных для биосферы каких-либо отходов производства, создающих угрозу для здоровья человека, приносящих ущерб условиям жизни и труда и влияющих на изменения жизненно важных природных ресурсов [57].

Современный техногенез является одним из основных ключевых факторов формирования и стабильного функционирования экосистем. Доля его вовлечения в различные компоненты ландшафта, в том числе в почвы, будет зависеть от степени и развития индустриального общества и его способности к взаимодействию с экосистемами.

Увеличение доли элементов в почвах будет зависеть в первую очередь от количества их содержания в литосфере. С ростом концентрации возрастает вероятность их миграции и вовлечения в геохимический круговорот. Вторым из важных факторов является способ антропогенного вовлечения элемента. Чем более выгодно вводить элемент в производство с экономической точки зрения, тем в большем количестве он будет поступать в геохимический круговорот.

В свою очередь, имеется ряд элементов, которые являются ключевыми в современном индустриальном производстве, - тяжелые металлы (ТМ).

Основные пути техногенного загрязнения почв тяжелыми металлами происходит с гидрогенными, литогенными и атмогенными потоками веществ.

С гидрогенными потоками тяжелые металлы поступают в почвенный покров преимущественно в пойменных почвах. Как отмечено в исследованиях ряда авторов, гидрогенное загрязнение неочищенными стоками может быть довольно интенсивным [16, 17, 29]. В некоторых странах с засушливым климатом используют неочищенную воду для орошения почв [120, 122]. Таким образом, во многих провинциях Китая данный способ привел к поступлению в

почву обильного количества тяжелых металлов, в том числе кадмия и ртути, за счет использования для полива воды с рудников [164, 166].

Так же в результате соединения руднопромышленных районов с сетью грунтовых вод происходит распространение тяжелых металлов по сопряженным супер- и субаквальным системам. На территории Южного Урала, Баймакского, Учалинского, Магнитогорского районов содержание Си, Zn, N1, Мо в подземных водах превышает в 2 - 5 раз над поверхностными [58].

В работах Абдрахманова Р.Ф. [1] проводился анализ фонового содержания элементов в рудных водах районов Южного Урала. Максимальные концентрации элементов и средние их значения имеют очень сильное расхождение. Тем не менее, на территориях, имеющих высокие концентрации тяжелых металлов, будет осуществляться их дополнительный принос за счет нисходящих потоков грунтовых вод, затрагивающих почвы данных районов. В результате фоновые концентрации тяжелых металлов в почвах аналогичных областей будут иметь более высокие значения [104].

В исследованиях Асылбаева И.Г. [6] отмечается высокое содержание в почвах тяжелых металлов и металлоидов в районах Учалинского горнообогатительного комбината.

Таким образом, за счет питания рудными водами с высокой концентрацией тяжелых металлов происходит увеличение фонового содержания тяжелых металлов в почвах.

Активные потоки поллютантов поступают с селитебных районов современных городов с развитой промышленностью [107, 112]. За счет больших объемов осадков сточных вод, сбрасываемых в реки, в сильной степени загрязняются илы, которые, в свою очередь, при разливе оседают в пойме и попадают в почву, неся ряд металлов, таких как Cd, Н^, Сг, N1, Си, РЬ и др. [7, 27, 83, 119, 154].

Другим немаловажным фактором загрязнения почв служат отвалы хвосто-и шламохранилищ. В металлургической промышленности данные отходы несут

в себе ряд элементов. Например, концентрация Си в шлаках отвалов Среднеуральского медеплавильного комбината достигает 3000-10000 мг/кг [62]. В отвалах, расположенных в окрестностях г. Чусового, путем механизмов атмогенного переноса происходит распространение механических частиц на прилегающие ландшафты. Далее под воздействием внешних факторов тяжелые металлы из состава отвалов переходят в почву. Таким образом, почвы вблизи отвалов металлургических шлаков становятся сильно загрязнены 7п, РЬ, Сё, N1, Си, Сг [62].

Согласно исследованиям А.А. Васильева [19], в различных почвах города Чусового, присутствуют высокие концентрации тяжелых металлов, и как отмечает автор, основной причиной высоких концентраций тяжелых металлов является вовлечение в профиль почв шлака, золы, неорганической пыли и других компонентов техногенного происхождения.

Аэрогенное поступление тяжелых металлов в атмосферу является одной из наиболее острых проблем за счет обширности распространения. Выбросы предприятий в атмосферу обычно являются двухфазные, состоящие из воздушно-газовой смеси и твердых частиц - пыли, взвеси, золей [98]. В зависимости от интенсивности и характера деятельности того или иного предприятия зависит обильность аэрогенных потоков, их состав и характер распространения.

Аэротехногенная нагрузка на ландшафтные зоны в районе Среднего Урала возросла с началом индустриального освоения минерально-сырьевых ресурсов региона и функционированием металлургических комплексов. Одними из основных источников поступления загрязняющих веществ в почвенный покров являются предприятия цветной металлургии.

Специфика и закономерности влияния газопылевых выбросов на окружающие ландшафты имеют сходные черты и методы поступления поллютантов, но отличаются региональным местом расположения источника

эмиссии, характером переработки сырья и естественными индивидуальными природными условиями для своей территории.

Наиболее ярко выражена степень влияния металлургического производства на экосистему в районе действия Карабашского медеплавильного комбината (КМК).

По официальным данным, за 2002 г. КМК выбросил в атмосферу 97,3 тыс. т загрязняющих веществ. Проведенное в 2003 г. исследование качества атмосферного воздуха показало очень высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха [41]. По результатам аналогичной работы, выполненной Челябинским ЦГМС в 2006-2007 гг. [68], уже после ввода в строй новой печи и запуска сернокислотного цеха индекс загрязнения атмосферы составил 10,3.

В целом по результатам мониторинга загрязнения атмосферного воздуха по количеству выбросов, в городе Карабаше (табл. 1.1) после 2014 г. отмечается уменьшение в сравнении с 2010 г., но уровень загрязнения атмосферного воздуха по-прежнему остается высоким [50]. На момент 2017 года выбросы предприятия снизились еще в большей степени. В результате количество поступающих загрязняющих веществ в атмосферу составляет 6,352 тыс. т [51]. Модернизация комбината, по официальным данным, привела к существенному снижению выбросов в атмосферу более чем в 10 раз.

Таблица 1.1. Количество выбросов загрязняющих веществ КМК

Тыс. тонн

2010 г. 2011 г. 2012 - 2014 гг. 2015 г. 2016 г. 2017 г.

13,8 13,246 13,200 10,300 5,390 6,352

Детальность переноса выбрасываемых в атмосферу загрязняющих веществ, а следовательно, и расстояния, на которых происходят выпадения, зависят от преобразования вещества в атмосфере. Как показано на рисунке 1.1.б, на дальность распространения 7п будет влиять мощность выбросов предприятия [98].

М ецшостъ

Рис. 1.1. Соотношение массы выброса и дальности распространения материала выпадений из атмосферы: а - распространение пыли заводов строительных материалов, б - распространение Zn, в выбросах предприятий в зависимости от их мощности

Формирование ореолов рассеивания техногенных потоков будет складываться за счет циркуляции атмосферных масс и состава выбросов. Согласно исследованиям Ю.Е. Саета, в наиболее отдаленных территориях преобладют растворимые формы относительно твердой взвеси (кроме Cd) (табл. 1.2).

Таблица 1.2. Соотношение растворенных и взвешенных форм нахождения химических элементов в атмосферных выпадениях [98]_

Среднесуточная Соотношение

Район исследования масса выпадающей пыли, кг/км2 Раствор / Твердая взвесь, %

Zn Pb Cd

Неурбанизированная территория (50 км от источника выброса) 17 77 (1) 79 (1) 82 (1) 95 (1)

Пригородная зона и окраины города (10 км от источника выброса) 80 36 (0,5) 17 (2,5) 18 (6,0) 81 (2,2)

Завод цветных металлов 140 3,5 (100) 13 (20) 12 (160) 90 (22)

Крупная промышленная зона 480 11 (18) 9 (10) 2 (40) 48 (25)

Примечание. В скобках указан коэффициент концентрации химических элементов по отношению к содержанию в фоновых условиях

Данный факт свидетельствует о неоднородности аэрогенных выбросов предприятий, в связи с чем наиболее близкие участки будут иметь преимущественно более высокий уровень техногенной нагрузки.

Среди промышленных предприятий Урала, несмотря на высокие трубы, отводящие аэропромвыбросы (до 150 метров), на промплощадках в радиусе до 0,5 км создается очень высокая концентрация дымо-газовых выделений. Вследствие этого на заводской территории растительность, за очень редким исключением, отсутствует. В ближайших окрестностях в радиусе 2,0—3,0 км древостой, как правило, отсутствует или очень сильно угнетен. С подветренной стороны на 15 км леса исчезли или находятся на грани вымирания. На территории комбинатов и на 2,0 км с подветренной стороны рН почвы не превышает 4,4—4,7. Компоненты дыма — тяжелые металлы в наибольших количествах выпадают на расстоянии свинец и мышьяк - 1-3 км, цинк - 1-5 км, медь - 1-4 км [106].

В районах Среднеуральского, Кировградского и Красноуральского медеплавильных комбинатов в связи со спецификой производства атмосфера загрязнена большим количеством: 7п, РЬ, Б, Си, Бе, Лб, NOп и др. Ежесуточно выбрасывается в воздух около 20 тонн пыли и 500 тонн газообразных веществ. В результате усиливается токсическое действие на почвы в ближайших окрестностях.

Огромное количество кислых газов (углекислого, угарного, сернистого, оксидов азота и др.), паров кислот, оксидов металлов (свинца, цинка, меди и др.), органических газов и канцерогенных соединений поступает в атмосферу за счет аэропромышленных выбросов металлургического производства.

Такое воздействие дымо-газовыми выбросами только медеплавильного производства на Урале вносит значительный вклад в нагрузку техногенного характера на экосистемы. Примерная площадь воздействия на почвенный покров в данном регионе составляет 100 тыс.га. Отсутствие естественного почвенно-растительного покрова составляет ориентировочно 2 - 2,5 тыс.га [106]. В окрестностях таких предприятий происходит формирование нарушенных, лишенных растительности, сернокислых ландшафтов, сформированных за счет влияния на них «кислых дождей», образуемых аэропромвыбросами [118].

Так, вблизи города Норильска образовалась мощная медно-никелевая геохимическая аномалия под влиянием аэропромвыбросов комбината «Норникель». В почвах в районе воздействия комбината содержание Си, N1, Сг, Ъп, Бе, Б превышает кларковое в десятки и сотни раз [29]. За счет длительности поступления атмогенных потоков, несущих в себе тяжелые металлы, происходит их накопление в почвах близлежащих ландшафтов.

Среднеуральский медеплавильный завод, расположенный в районе Первоуральско-Ревдинского промузла, начал свое функционирование еще в 1940 году, аэрозольные выбросы которого несут и по настоящее время Б02, Ъп, Си, Лб, Сё и др. [34]. В результате длительного воздействия аэропромвыбросами на прилегающие ландшафты территория вблизи комбината полностью лишилась древостоя, с изреженным наземным покровом, образовав техногенную пустыню. В почвах данного района концентрации Ъп, Си, РЬ, Сё превышают региональный кларк и фон в десятки раз [29]. Средневзвешенные концентрации Си, Ъп, РЬ в почвах различных зон уменьшаются с удалением от источника аэропромвыбросов, в отличие от N1 и Сг, средневзвешенные концентрации которых в дальней фоновой зоне больше, чем в импактной. Данные отличия связаны с разными фазами-носителями представленных тяжелых металлов. Вероятно, Си, Ъп, РЬ поступают в почву в более тяжелых труднорастворимых соединениях с серой (сульфиды), в то время как N1 и Сг переносятся в виде оксидов.

1.2 Трансформация техногенно загрязненных веществ в почвах

Техногенные потоки рассеивания так или иначе на пути своего круговорота попадают в почвенный покров. В результате естественных почвообразовательных процессов и протекающих реакций в почвах происходит постоянное преобразование элементов, участвующих в круговороте. В связи с дополнительным приносом техногенными потоками возможно нарушение общих схем взаимодействий и появление неспецифичных продуктов реакций для территорий, подверженных загрязнению.

В настоящее время учеными из разных областей тесно изучались механизмы взаимодействия почвенных компонентов с тяжелыми металлами, поступающими с техногенными потоками [21, 53, 60, 73, 79, 83, 87, 89, 143].

У всех были основные предложения по выделению двух групп тяжелых металлов, связанных с компонентами почв: прочно связанные и непрочно связанные.

Первая группа - прочно связанные, представляет собой металлы, прочно закрепленные в структуре вторичных и первичных минералов и входящие в состав труднорастворимых солей органоминеральных комплексов и органических соединений.

Вторая группа - непрочно связанные, представляет тяжелые металлы, удерживающиеся на поверхности частиц почвы органическими и минеральными компонентами в обменном и специфически сорбированном состоянии. Данная группа является наиболее важной частью соединений ТМ, необходимой для учета оценки уровня загрязнения почв. Она наиболее миграционно способная и находится в свободной и легкодоступной форме для растений.

Обе группы изменяют свои формы нахождения под воздействием внешних факторов и проходящих внутрипочвенных процессов и претерпевают изменения.

Непрочно связанные соединения металлов в большей степени изменяются под воздействием факторов: комплексообразования, ионного обмена, абсорбционного и десорбционного равновесия, имеют высокую скорость протекания реакций, зависящую от способов протекания и энергии активности. Так же немаловажную роль играет размер поверхности частиц, сродство обменивающихся элементов и наличие комплексообразователей.

Прочно связанные соединения металлов контролируются процессами хемосорбции, десорбции, изоморфного замещения и осаждения или растворения солей. В отличие от непрочно связанных тяжелых металлов, протекающие процессы в прочно связанных соединениях и видоизменения их форм проходят

с малой скоростью и требуют большого количества энергии. Протекание данных процессов обуславливается как факторами изменения рН среды, в результате чего меняется степень растворимости и образование осадков труднорастворимых солей, так и концентрацией ионов в растворе, размером поверхности частиц, строением и составом комплексообразователей [79, 94, 95].

В зависимости от образования соединений с различными компонентами почвы (легко и труднорастворимые соли, гидроксиды железа и марганца, органическое вещество), образуются различные формы тяжелых металлов с помощью специфически и химически сорбированных, обменных связей. Из-за изменения концентраций раствора, факторов окружающей среды, кислотно-основных свойств, окислительно-восстановительного потенциала образуются мобильные, фиксированные соединения и закрепленные в кристаллической решетке минералов [79, 81, 92].

В результате множественных исследований учеными установлен ряд форм тяжелых металлов, представленных в таблице 1.3 [21, 69, 73, 79, 84].

Как отмечается в исследованиях О.Н. Коноваловой [69], среди непрочно связанных соединений поллютантов преобладают специфически сорбированные формы, содержащие 70 - 90% от непрочно связанных соединений. Водорастворимые составляют 10 - 15% от общего содержания в почве.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Маричев Максим Сергеевич, 2021 год

/ 9а /

1 1А /

■ •

1 —

№7 ■№25

№10

№ 6 №15

№ 7 №25

д)

о н 3

Гидролитическая кислотность, ммоль-экв на 100г почвы

е)

0 10 20 30 40 50 60 70

Ж

ш\

ж

ЕКО, ммоль-экв на 100г почвы

0 10 20 30 40 50 60 /

№ 6 №15

№ 7 №25

№ 6 №15

№ 7 №25

2

3

5

6

7

6

0

70

80

0

0

20

30

40

50

60

№ 10

Рис. 4.2. Физико-химические показатели почв фоновой зоны Распределение обменных катионов И+, Л13+, Са2+ и Mg2+ в почвенном профиле по Б.Г. Розанову [96] является равномерно-элювиальным и элювиально-иллювиальным, что также отражается в значениях ёмкости катионного обмена

почв (рис. 4.2.е), увеличение которого происходит вниз по профилю от 20,0 до 44,0 ммоль-экв на 100 г почвы (приложение 4).

Почвы территории фоновой зоны, простирающиеся в северо-западном, западном и юго-западном направлениях, сформированы под смешанными сосново-еловыми лесами южно-таежной лесной зоны (разрезы №15, 25). В данной местности наземный покров представлен в меньшей степени травянистой фитомассой и преимущественно слагается лесным опадом, разложение которого происходит менее интенсивно и приносит меньшее количество образованного гумуса. Условия промывного водного режима способствуют вымыванию образованных фульвокислот вниз почвенного профиля и за его пределы, разрушающих и несущих за собой коллоидную массу серогумусовых горизонтов. В результате, данные почвы имеют низкое содержание гумуса с образованием аккумулятивно-неполноразвитого типа гумусового профиля по классификации Д.С. Орлова и Л.А. Гришиной [85].

Обменная кислотность изменяется вниз по профилю от слабокислой до кислой (рис 4.2. б) (приложение 4). Гидролитическая кислотность изменяется от 3,0 - 4,0 ммоль-экв на 100 г почвы (разрез №15) до 5,0 - 15,0 ммоль-экв на 100 г почвы (разрез №25) (рис. 4.2 д) (приложение 4).

Профильное распределение катионов Al3+, Ca2+ и Mg2+ является аккумулятиво-элювиально-иллювиальным и прогрессивно-элювиальным [96]. Емкость катионного обмена увеличивается к нижним горизонтам в пределах 20,0 - 48,0 ммоль-экв на 100 г почвы (рис 4.2 е). В результате биологической репродуктивности растений в лесной подстилке аккумулируется Ca2+ и Mg2+, часть, мигрируя вниз по профилю. Концентрация катионов водорода в средней части почв увеличивается, за счет насыщения растворенными гумусовыми кислотами.

Вышеописанные почвы, относящиеся к таежно-лесным и лугово-полевым провинциям, образованы за счет природных факторов, изменение физико-

химических параметров почв в данных областях происходит в результате естественных геохимических процессов.

Буферная зона вытянута преимущественно в западном направлении, является барьером в распространении аэропромвыбросов комбината. В западной и юго-западной частях, находящихся в лесных провинциях (разрез № 16), тип гумусового профиля - аккумулятивно-неполноразвитый со средним его содержанием. В результате смены типов растительности на смешанную елово-березовую с изреженным травянистым покровом происходит уменьшение величины обменной кислотности почв в среднем на 0,7 ед. рН., а значения гидролитической кислотности увеличиваются на 18%. Обменные катионы Al3+, Ca2+ и Mg2+ образуют прогрессивно-элювиальный тип распределения.

В лугово-полевых провинциях содержание гумуса среднее (разрезы № 12, 14, 27) и низкое (разрез №4) с аккумулятивно-неполноразвитыми гумусово-иллювиальными типами профиля (рис. 4.3). Уменьшение процентного содержания в сравнении с фоновой зоной, вероятно, связано с ежегодным скашиванием зеленой массы, остатки которой служат основным источником гумуса. В верхней части профиля происходит подкисление в среднем на 0,6 ед. рН. Возрастает доля обменных катионов Ca2+ и Mg2+ к иллювиальным горизонтам в среднем на 10%. Содержание ^ и Al3+ увеличивается в 2 раза (рис 4.4). Значения емкости катионного обмена незначительно изменяется в диапазоне 20 - 30 ммоль-экв на 100 г почвы. В результате приближения к источнику эмиссии и увеличения техногенной нагрузки отчетливо наблюдается преобладание элювиально-иллювиальных и аккумулятивно-элювиально-иллювиальных типов распределения основных компонентов почвенно-поглощающего комплекса.

Рис. 4.3. Содержание гумуса в почвах буферной зоны Севернее комбината почвы буферной зоны (разрезы № 1, 2) расположены в лугово-полевых провинциях с обильным лугово-злаковым травяным покровом (разрез № 2). Наблюдается мощный гумусовый горизонт с высоким его содержанием до 8% (рис 4.3) за счет ежегодного пополнения почвы фитомассой, подвергающейся интенсивным процессам гумификации. Кислотность уменьшается к иллювиальным горизонтам (рис. 4.4) в сравнении с фоновой зоной (разрез № 10) в среднем на 0,60 ед. рН.

Концентрация кальция и магния возрастает на 10%, имеет равномерно -элювиальный тип распределения, а в районах техногенной пустыни (разрез № 24) - регрессивно-аккумулятивный с превышением на 86%, из которых на долю кальция приходится порядка 64% (рис 4.6).

а)

рН КС1 4 5

и 3

0 10 20 30 40 50 60 70

/1 л '

\

•№1

•№11

-№14

■№2

■№12

■№16

•№4 •№13

в)

Нг, ммоль-экв на 100г почвы 0 10 20 30 40 50 60 70

0 10 20 30 40 50 60 70

№ 1

з№ 4 № 12

№ 2 ■ № 11 № 13

б)

рН КС1 4

н 3 о

0 10 20 30 40 50 60 70

•№17 №20 №24

■№18 №21

■№19 №22

г) Нг, ммоль-экв на 100г почвы

0 10 20 30 40 50 60 70

0 10 20 30 40 50 60 70

ш щ ..... .....

г

и Ч

Ш1

у

№ 14 № 17 № 19

•№ 16 № 18 1 № 20

д)

Нг, ммоль-экв на 100г почвы

0 10 20 30 40 50 60 70

н 3 о

0 10 20 30 40 50 60 70

•№ 21 •№ 24

■№ 22

Рис. 4.4. Актуальная и потенциальная кислотность почв буферной зоны.

2

3

6

7

2

3

5

6

7

Концентрация обменных Н+ и Л13+ меньше фоновых значений данного направления в среднем на 16% (рис 4.5). Несмотря на низкое содержание катионов, обуславливающих кислотность среды, в оторфованном серо-гумусовом горизонте реакция - сильнокислая, с глубиной изменяется до близкой к нейтральной, что свидетельствует о наличии других кислотных агентов, таких как сульфаты. Емкость катионного обмена имеет равномерно-элювиальное распределение (разрезы № 1 и 2), а в районе техногенной пустыни (разрез № 24) - равномерно-аккумулятивное (рис 4.6).

За счет увеличения кислотности почв происходит вынос обменных катионов в иллювиальные горизонты (рис 4.6).

Рис. 4.5. Обменные катионы Н+ и Л13+ в почвах буферной зоны Восточные (разрезы № 11 и 22) и южные (разрезы № 13, 17, 18) районы относятся к лугово-полевым и лесным провинциям, средне- и слабо гумусированы с аккумулятивно-неполноразвитым типом гумусового профиля (рис 4.5). Характеризуются менее кислой реакцией среды в серо-гумусовых горизонтах - 5,39 - 5,66 ед. рН (разрезы № 22, 13, 18), что близко к фоновым показателям данных направлений (рис 4.4). Противоположное распределение кислотности наблюдается в разрезах № 11 и 17, степень которой уменьшается в среднем на 1,7 ед. рН. Более низкие значения связаны с протеканием элювиальных процессов, усиливающихся за счет кислотного гидролиза минеральной части почвы и мобилизации обменных катионов. Увеличивается концентрация Н+ и Л13+ в среднем в 8 - 10 раз соответственно (рис 4.5). Происходит регрессивная аккумуляция обменных Са2+ и М^2+ в среднем на 80%. Гидролитическая кислотность недифференцированно изменяется по профилю,

что схоже с фоновой зоной, за исключением южных районов (разрез № 18), где равномерно уменьшается к иллювиальным горизонтам. Емкость катионного обмена возрастает с глубиной в среднем на 20% (рис 4.6).

Ca+Mg, ммоль-экв на 100г почвы

о и 3

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 10 20 30 40 50 60 70

•№ 1 № 11

■№ 2 1 № 12

■№ 4 ■№ 13

Ca+Mg, ммоль-экв на 100г почвы

10 20 30

о н 3 о

0 10 20 30 40 50 60 70

40 50

60 70

№ 14 ■№ 18

•№ 16 ■№ 19

.....№ 17

■■■■'№ 20

г)

н 3 о

ЕКО 0

0 10 20 30 40 50 60 70 № 1 № 11

ммоль-экв на 100г почвы

в)

Ca+Mg ммоль-экв на 100г почвы

10

20 30 40 50

60

20

40

60

80

100

н 3

10 20 30 40 50 60 70

№ 2 № 12

№ 4 № 13

■№ 21

•№ 22

•№ 24

д)

н 3 о

ЕКО ммоль-экв на 100г почвы

10 20 30 40 50 60 70

0 10 20 30 40 50 60 70

1', Г..Л

: г

; \

ч 1 * ••А

е)

о н

з

ЕКО ммоль-экв на 100г почвы 0 10 20 30 40 50 60 70

№ 14 № 18

№ 16 № 19

№ 17 № 20

0 10 20 30 40 50 60 70

№ 21

№ 22

№ 24

0

0

0

0

Рис. 4.6. Значения емкости катионного обмена, суммы обменных кальция и

магния в почвах буферной зоны

Импактная зона характеризуется максимальной техногенной нагрузкой за счет своей близости к комбинату. Согласно климатическим данным, району присуща высокая частота повторяемости штилей (приложение 1). Образуется частично застойный тип воздушного режима, который способствует оседанию на близлежащие ландшафты аэропромвыбросов. Севернее комбината разрезы № 3 и 23 расположены в зоне «бедствия», где растительность представлена только гипновыми мхами с очень изреженным травянистым покровом. Содержание гумуса - среднее, что аналогично району буферной зоны с аккумулятивно-неполноразвитым типом профиля (рис 4.7 б). В сравнении с фоновыми

показателями северной части зоны обменная кислотность возрастает в среднем на 1,6 ед., а гидролитическая в 2 - 3 раза (рис 4.7 в). Обменные катионы Н+ и А13+ в серо-гумусовых горизонтах возрастают в 3,2 раза, а в иллювиальных - порядка в 20 раз (разрез № 23). Концентрация обменных катионов кальция и магния уменьшается в среднем на 36%.

Происходит перераспределение основных катионов в почвенном профиле от регрессивно-равномерно-аккумулятивного в равномерно-элювиальный тип. Образуются мобильные группы органических комплексных соединений, сопровождаемые высокой кислотностью среды, они прочно удерживают катионы А13+ и мигрируют с глубиной. Емкость катионного обмена увеличивается вдвое к иллювиальным горизонтам (разрез №3) (рис 4.7 д).

В южном и восточном направлениях от комбината (разрезы № 5, 8, 9, 19, 26) почвы характеризуются низким и средним содержанием гумуса и типом профиля аккумулятивно-неполноразвитым (рис 4.7 б). В сравнении с фоновой территорией данного направления наблюдается увеличение кислой реакции среды в среднем на 0,5 - 1,0 ед. рН (рис 4.7 е). Гидролитическая кислотность в сравнении с фоновой зоной возрастает в среднем в 3,5 раза (рис 4.7 в). Происходит аккумуляция обменных Н+ и А13+ с увеличением на 16 - 20%. Катионы Са2+ и Mg2+ уменьшаются в верхней части профиля в среднем на 2030%. Емкость катионного обмена увеличивается вниз по профилю.

Отличия в особенностях компонентного состава и перераспределение главных ионов обуславливаются наличием кислой реакции среды, увеличивающейся за счет приноса кислотных агентов атмосферными осадками и твердофазными золями. Вследствие чего происходит частичное разрушение и мобилизация продуктов кислотного гидролиза минеральной части почвы, уменьшается емкость катионного обмена, происходит образование легкорастворимых соединений сульфатов кальция, их вымывание и обеднение верхних горизонтов обменными катионами кальция и магния.

а)

о и 3

о

3»

Сумма Н и А1, ммоль-экв/100 г почвы 012345678

0 10 20 30 40 50 60 70

■№3

■№19

■№5 ■№23

•№8 ■№26

№9

б)

о и 3

о

Гумус, % 468

10 12 14

0 10 20 30 40 50 60 70

уЩ .1*

1

!

№ 3 №19

№ 5 №23

№ 8 №26

№ 9

в)

о и 3

о

Нг, ммоль-экв/100г почвы

10

20

30

40

0 10 20 30 40 50 60 70

г)

о

и 3 о

Са+Мв 0

ммоль-экв/100г почвы

20

40

60

0 10 20 30 40 50 60 70

N4 V X

-Ч- \

1 , « —л*'"*

№ 3 №19

№ 5 №23

№ 8 №26

№ 9

№ 3 №19

№ 5 №23

№ 8 №26

№ 9

д)

и 3

ЕКО, ммоль-экв /100г почвы

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

е)

рН КС1

0 10 20 30 40 50 60 70

№ 3 №19

№ 5 №23

№ 8 №26

№ 9

0

2 о 10

е 20

о о 30

й 40

о 50

60

70

- -и-

V Щ

4 •

№3 №9 №26

•=№5 ---№19

№8 №23

0

2

0

2

3

4

5

6

7

Рис. 4.7. Физико-химические показатели почв импактной зоны В заключение следует отметить следующее. В фоновой зоне, находящейся более чем в 8 км от комбината, преобладают в большей степени природные геохимические процессы, обусловленные естественным циклом миграции и распределения элементов в почвенном профиле. На расстоянии 4 - 8 км от факела в буферной зоне с усилением техногенной активности кислотность увеличивается в среднем на 1,5 ед. рН. Серо-гумусовые горизонты характеризуются регрессивно-аккумуляционным типом распределения обменных катионов и уменьшением их доли в среднем на 10% в нижней части профиля, происходит переход в трансгрессионно-иллювиальный тип. В импактной зоне показатель рН уменьшается на 2 - 2,5 ед. Вследствие увеличения кислотности усиливается вынос обменных катионов кальция и магния из серо-

гумусовых горизонтов в среднем на 30% и возрастает в иллювиальных на 40%, доля обменных водорода и алюминия возрастает в 3 раза. Распределение основных компонентов характеризуется в большей степени прогрессивно-элювиальными типами. Данные процессы возникают в результате разрушения минеральной части почвы вследствие высокой активности кислотных агентов, поступивших с техногенными потоками аэрозольных частиц. Из-за подкисления среды и постоянного приноса из вне продуктов техногенной деятельности нарушается общая буферность системы. Обильные потоки сульфат-ионов способствуют экстрагированию обменных катионов, сопряженных с почвенно-поглощающим комплексом, нарушая баланс элементов питания в почве.

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКИ НА РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ГЕОХИМИЧЕСКИХ

ЛАНДШАФТАХ

5.1 Внутрипрофильная дифференциация тяжелых металлов в геохимически сопряженных ландшафтах

5.1.1 Валовые формы

Валовое содержание тяжелых металлов в почвах отражает общее количество металлов, присутствующее в различных формах и соединениях.

На исследуемой территории Красноуральского промузла в результате неоднородности распределения тяжелых металлов с аэропромвыбросами комбината в различном направлении от источника эмиссии производился учет валового содержания цинка, кадмия, свинца и меди в профилях почв.

Так как в настоящее время нормативные показатели ПДК валового содержания исследуемых металлов в почвах в Российской Федерации отсутствуют (кроме РЬ), в данной работе в качестве сравнения и контрастности указаны кларковые содержания в земной коре и фоновое содержание. Для расчетов и общего заключения приводятся фоновые концентрации тяжелых металлов.

14 гп X 18 0 16 1 - Сс!

I" £ « 01 £ а ш

® 12 « 10 ш 8

о, и к

а 6 га 6

И Н 4 ■

О 5 2 о 4 О , га 2 3" 0

га 3- о шя ■

50 1ОО 150 Концентрация 200 , мг/кг зоо 400 0,1 0,5 1 1,5 2 Концентрация, мг/кг 2,5 3,5

РЬ 12 5 1- Си

X 3 £ 8

0 ° 1 7 $ 6 § 10

2 о

У О 5 У 8 О

н э О л О 6

СО 4 га з га н

н О 2 О 4

1- ^ 8 1 У о О 2

Т '

10 1! 5 20 40 50 60 70 Концентрация, мг/кг 100 150 200 10 50 ЮО 150 200 250 300 Концентрация, мг/кг 350 400

Рис. 5.1. Графики частоты встречаемости валовых металлов в верхних горизонтах, построение закона распределения

На рисунке 5.1 изображены диаграммы частоты встречаемости исследуемых металлов в верхней 0 - 15 см толще, используемые при выявлении закона распределения и расчета фоновых концентраций металлов. Согласно данным диаграммам выявлено, что расчеты следует проводить по логнормальному закону распределения [3].

После проведенных расчетов (формулы 2.10, 2.11, 2.12, 2.13) получены средние значения фоновых концентраций, которые составляют: для = 90,36 ± 1,8 мг/кг; Сё = 0,47 ± 0,01 мг/кг; РЬ = 30,90 ± 0,4 мг/кг; Си = 53,7 ± 1,53 мг/кг.

Цинк. Согласно проводимым исследованиям Н. Гринвуда и А. Эрншо [52], кларк цинка в земной коре составляет 76 мг/кг - 100 мг/кг, по А.П. Виноградову - 83 мг/кг, в почвах Земли - 50,0 мг/кг [20]. В почвах рудоносных областей концентрации могут превышать средние мировые значения. На исследуемой территории в местах отбора проб № 1, 7, 15, 22, 25, 28 концентрации валового цинка не превышают фоновые.

Рис. 5.2 Диаграммы распределения валового цинка в профилях исследуемых почв

Данные участки находятся в отдалении от источника эмиссии аэропромвыбросов комбината на 8 - 15 км и менее подвержены техногенной нагрузке. Максимальные и минимальные концентрации в серогумусовых горизонтах составляют 85,4 и 51,4 мг/кг, в иллювиальных - 55,8 и 17,4 мг/кг соответственно. Распределение по профилю почв равномерно-аккумулятивное (рис 5.2) [96].

На территориях вблизи комбината в разрезах № 3, 4, 5, 8, 9, 11, 23 концентрации валового цинка в верхних горизонтах выше фоновых значений в 2 - 20 раз, распределение по профилю почвы относится преимущественно к регрессивно-аккумулятивному типу (рис 5.2) [96]. Максимальная концентрация зафиксирована в серогумусовом горизонте в районе отбора № 8 и составляет 2420,0 мг/кг (приложение 5). Данный участок располагается в окрестностях комбината и Сорьинского водохранилища. Нагрузка на почвы приходится не только с аэропромвыбросами, но и транслокацией с сопряженных нарушенных ландшафтов. Накопление в верхних горизонтах валового цинка, вероятно, происходит из-за высокого содержания органического вещества и образования органо-минеральных комплексов. Минимальные концентрации 52,3 - 54,6 мг/кг в серогумусовых горизонтах относятся к фоновым областям в наибольшем отдалении от комбината на расстоянии порядка 10 - 15 км, районы отбора № 15, 28. Тип распределения по профилю - равномерно-аккумулятивный.

На всей исследуемой территории наблюдается увеличение валового содержания цинка в почвах, приближенных к источнику эмиссии аэропромвыбросов. В профильном распределении происходит накопление в верхней части, к иллювиальным - уменьшение концентрации. Данный факт свидетельствует о преимущественно аэрогенном пути поступления цинка в почвы данной территории.

Кадмий. По Виноградову, кларк кадмия в земной коре составляет 0,13 мг/кг, в почвах Земли - 0,5 мг/кг [20]. Так же, как и цинк, в районах рудообразования

концентрации кадмия могут быть в разы выше кларковых. Расчетные фоновые значения в верхних горизонтах почв составляют 0,47 мг/кг.

Рис. 5.3 Диаграммы распределения валового кадмия в профилях исследуемых почв

Валовое содержание кадмия в почвах на участках отбора проб № 1, 7, 10, 15, 17, 18, 25, 28 не превышает фоновой концентрации (0,47 мг/кг). Данные районы располагаются в отдалении от источника эмиссии аэропромвыбросов комбината на 8 - 15 км, с максимальными и минимальными концентрациями в серогумусовых горизонтах 0,420 и 0,073 мг/кг, в низлежащих - 0,18 и 0,04 мг/кг

соответственно. Распределение по профилю почв - равномерно-аккумулятивное (рис. 5.3) [96].

На остальных территориях превышение фоновых концентраций в верхних горизонтах почв составляет в десятки раз, разрезы № 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 11, 12, 13, 14, 16, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27. Распределение по профилю - регрессивно-аккумулятивное (рис. 5.3) [96]. Максимальные значения концентраций зафиксированы в серогумусовых горизонтах в районах отбора № 11 и 27 и составляют 13,7 и 7,2 мг/кг соответственно (приложение 6).

В целом в почвах загрязнение кадмием распространяется не далее, чем на 8 км от источника эмиссии аэропромвыбросов и относится лишь к верхним горизонтам. В нижележащих концентрации не превышают средних фоновых значений, что может свидетельствовать об аэрогенном поступлении кадмия в почвы.

Свинец. Согласно ученым Н. Гринвуда и А. Эрншо [52], в земной коре кларковое содержание свинца составляет 13,0 мг/кг, по А.П. Виноградову - 16,0 мг/кг, в почвах Земли - 10,0 мг/кг [20], предельно допустимая концентрация в почвах - 32,0 мг/кг [99]. Техногенез является основным источником поступления свинца в почву, но в районах естественного рудообразования фоновое содержание в почвенном слое может превышать кларковые значения. Фоновое содержание валового свинца составляет 30,9 мг/кг.

На участках отбора проб № 1, 2, 7, 10, 15, 25, 28 концентрации валового свинца не превышают фоновых значений данной территории и ПДК. Максимальные и минимальные концентрации в серогумусовых горизонтах -27,3 и 11,0 мг/кг, в нижележащих горизонтах - 13,3 и 8,5 мг/кг соответственно. Распределение по профилю на данных участках является равномерно-аккумулятивным (рис 5.4).

Почвы остальных исследуемых районов имеют регрессивно-аккумулятивный тип распределения свинца по профилю. За исключением района отбора № 3, с элювиально-иллювиальным типом (рис 5.4) [96].

Рис. 5.4 Диаграммы распределения валового свинца в профилях исследуемых почв

Накопление его в верхних горизонтах происходит за счет малой подвижности свинца в почве и высокой степени образования связей с гумусовыми соединениями. Максимальные концентрации зафиксированы в районе отбора проб № 13 в горизонте О - 3700,0 мг/кг и в серогумусовом горизонте в разрезе № 8 - 1880,0 мг/кг, что превышает ПДК в 58 раз и выше фона в 63 раза (приложение 5). Данные участки располагаются на расстоянии 2 - 5 км от источника эмиссии аэропромвыбросов комбината. В низлежащих горизонтах превышения ПДК и фоновой концентрации зафиксированы лишь в разрезе № 3, в 27 и в 11 раз соответственно. Накопление свинца в горизонте ВТ, вероятно,

связано с увеличением глинистых и коллоидных частиц в данном горизонте, на которых происходит образование комплексов с глинистыми минералами или сорбция на их поверхности.

В целом на всей исследуемой территории загрязнение почв присутствует в верхней части профиля, в нижних горизонтах концентрации валового свинца не превышают ПДК и фон, что свидетельствует о поступлении данного металла в почву с аэрогенными потоками.

Медь. Кларк меди в земной коре по Н. Гринвуду и А. Эрншо так же, как и по А.П. Виноградову - 47,0 мг/кг, в почвах Земли - 20,0 мг/кг [20, 52]. Высокое содержание меди в почве в большей степени отмечается на участках с техногенной активностью и также в меднорудных районах. На участках отбора проб № 1, 4, 7, 10, 15, 17, 25, 28 концентрации в минеральной части почвы не превышают фоновые значения (53,7 мг/кг). В серогумусовых горизонтах максимальные и минимальные концентрации составляют 42,4 и 10,9 мг/кг, в иллювиальных горизонтах - 20,9 и 6,9 мг/кг соответственно (приложение 5). Распределение по профилю - равномерно-аккумулятивное (рис 5.5) [96].

В районах отбора № 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 12, 13, 14 16, 18, 20, 21, 22, 23, 24, 26, 27 концентрации в верхних серогумусовых горизонтах превышают фоновые значения. Тип распределения валовой меди по профилю на данных участках является регрессивно-аккумулятивным (рис. 5.5) [96]. Максимальные концентрации зафиксированы в районе отбора № 27, в горизонте О - 4539,5 мг/кг, в серогумусовых горизонтах, в разрезе № 11 - 1600,0 мг/кг, что выше расчетных фоновых значений в 86 и 30 раз соответственно (приложение 5).

Рис. 5.5 Диаграммы распределения валовой меди в профилях исследуемых

почв

Данные участки располагаются на расстоянии не более 5 км от источника эмиссии аэропромвыбросов комбината. Накопление валовой меди в верхних частях профиля может быть связано с высокой биоаккумуляцией и образованием комплексов с гумусовыми соединениями. В низлежащих иллювиальных горизонтах максимальные и минимальные концентрации составляют 224,5 и 20,7 мг/кг соответственно. Увеличение содержания к нижней части, вероятно, происходит за счет образования комплексов с глинистыми минералами и сорбции на их поверхности.

В целом на всей исследуемой территории фоновое содержание валовой меди более чем в 2 раза выше, чем кларк в почвах Земли, что, вероятно, связано с особенностями геологического строения данной территории и наличием в данной местности медно-колчеданного комплекса. Несмотря на данный факт, в

почвах исследуемого района основным путем поступления меди является аэрогенный массоперенос. Так, в почвах на расстоянии не более 8 км от комбината в серогумусовых и органогенных горизонтах О концентрации меди превышают фоновые, но к иллювиальным значительно уменьшается до значений ниже фоновых.

Все вышеописываемые территории работ, на которых концентрации ТМ выше фоновых и ПДК, относятся к участкам с нестабильным функционированием ландшафтных комплексов и являются аллохтонными. В результате того, что данные районы имеют относительное понижение вблизи расположения комбината и его окраин, в радиусе 8 километров происходит геохимическое подчинение указанных территорий с автохтонными областями, которые находятся на отдаленных участках. Тяжелые металлы дифференцируют в латеральных направлениях, граничащих с областями буферной зоны.

За счет своей автономности, автохтонные территории являются наиболее стабильными компонентами ландшафтного комплекса. Полноценно функционирующие лесные провинции имеют высокую способность к самовосстановлению. Так, происходит перераспределение техногенных потоков и компонентов на границе данных комплексов в подчиненные системы.

Основные факторы в распределении и аккумуляции тяжелых металлов в верхних слоях почвы обуславливаются присутствием одного из мощных геохимических барьеров, такого как гумусовый. Как отражается в исследованиях Т.В. Бауэр [10], обильная доля среди различных форм меди и свинца в почве входит в состав комплексных соединений с органическим веществом. Высокая аккумуляция кадмия в гумусово-элювиальных горизонтах происходит за счет вымывания обменных катионов кальция и магния [116] и, как следствие, меньшей конкурентной сорбцией с данными ионами, что также отражается в исследованиях В.С. Путилиной [93].

Хотелось бы отметить, что отношение концентраций исследуемых тяжелых металлов в верхней части профиля ранжируется в следующем порядке

> Си > РЬ > Сё. Данное распределение находит подтверждение в расчетах разовой приземной концентрации исследуемых металлов, имеющих аналогичный порядок увеличения значений (рис. 5.24).

На исследуемой территории основными источниками поступления тяжелых металлов в почву являются аэропромвыбросы и эоловый массоперенос с нарушенных и техногенно образованных ландшафтов. На дальность распространения будут влиять климатические условия региона, что будет отличаться во времени от проведенных модельных расчетов в данной работе.

Общая картина распределения тяжелых металлов в геохимических системах объясняется радиальной и латеральной дифференциацией внутри ландшафтных комплексов, где основными транзитными участками являются районы вблизи комбината.

Автономные области являются сопряженными и выступают как обменные участки, находясь преимущественно в понижениях, в радиусе примерно 8 км от комбината. В результате поллютанты поступают за счет дополнительных потоков с нарушенных территорий и смежных сопряженных районов. Такая двойная нагрузка ведет к большей доле техногенной напряженности на ландшафты, а аккумуляция и распределение тяжелых металлов не подчиняется основному принципу массопереноса.

5.1.2 Подвижные формы

В результате протекания различных физико-химических процессов в почве тяжелые металлы образуют комплексные соединения с разной энергией взаимодействия, прочности связей. Тем самым под действием ряда внешних факторов высвобождение и разрушение происходит по-разному. Так, одна из форм нахождения тяжелых металлов в почве удерживается за счет действия электростатических сил и относится к подвижной. Данные формы являются одними из наиболее мобильных в почвенном профиле.

Для определения фоновых концентраций подвижных форм тяжелых металлов проводилась выборка с построением графиков частоты встречаемости

исследуемых металлов в верхней 0 - 15 см толще почвы (рис 5.6). Согласно построению следует, что расчет необходимо проводить по логнормальному закону распределения [3], по формулам 2.10, 2.11, 2.12, 2.13. В результате, фоновые концентрации подвижных форм составляют: для = 18,7 ± 0,128 мг/кг; Сё = 0,21 ± 0,01 мг/кг; РЬ = 3,16 ± 0,04 мг/кг; Си = 9,74 ± 0,05 мг/кг.

Концентрация,

Рис. 5.6. Графики частоты встречаемости подвижных форм металлов в верхних горизонтах, построение закона распределения

Для подтверждения наличия закономерностей в распределении концентраций исследуемых подвижных форм тяжелых металлов с изменением процентного содержания гумуса, обменной кислотностью и гранулометрическим составом в почве, рассчитывался коэффициент корреляции (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Коэффициенты корреляции тяжелых металлов с основными

параметрами почв

№ 2п Сё РЬ Си

раз рез гумус рН < 0,01* гумус рН < 0,01* гумус рН < 0,01* гумус рН < 0,01*

1 -0,33 0,77 0,26 0,67 -0,56 -0,64 0,43 0,02 -0,52 0,38 -0,53 -0,25

2 0,93 -0,59 -0,37 0,97 -0,48 -0,65 0,97 -0,66 -0,53 0,97 -0,70 -0,57

3 0,99 -0,87 -0,64 1,00 -0,85 -0,63 1,00 -0,83 -0,59 1,00 -0,83 -0,61

4 0,54 0,92 -0,88 0,50 0,91 -0,85 0,50 0,91 -0,85 0,51 0,91 -0,85

5 0,17 0,71 -0,96 0,14 -0,93 0,06 0,33 0,68 -0,97 0,17 0,71 -0,95

6 0,82 0,88 -0,83 0,99 0,98 -1,00 0,97 0,96 -0,99 0,95 0,97 -0,96

7 0,65 0,96 -0,97 0,65 0,94 -0,97 0,51 0,92 -0,79 0,74 0,93 -0,96

8 0,00 0,01 -0,05 0,46 0,43 0,47 0,97 -0,98 -0,45 0,96 -0,98 -0,45

9 0,47 0,35 -0,61 0,43 0,34 -0,60 0,50 0,38 -0,61 0,45 0,57 -0,64

10 1,00 -0,15 -0,64 0,98 -0,14 -0,69 1,00 0,08 -0,58 0,92 -0,17 -0,71

11 0,05 0,99 -0,94 0,07 0,99 -0,95 0,11 0,99 -0,95 0,31 0,98 -0,99

12 -0,34 0,91 -0,96 -0,30 0,90 -0,97 -0,25 0,86 -0,97 -0,32 0,87 -0,96

13 0,82 0,81 -0,98 1,00 -0,88 -0,98 0,92 -0,67 -0,88 0,86 -0,61 -0,83

14 -0,18 0,57 -0,93 0,16 0,82 -0,97 -0,27 0,48 -0,92 0,16 0,32 -0,29

15 -0,13 0,39 -0,97 -0,17 0,40 -0,99 -0,11 0,43 -0,98 -0,24 0,19 -0,88

16 0,29 0,98 -0,99 0,32 0,97 -0,99 0,22 0,99 -0,99 0,49 0,91 -0,97

17 0,98 -0,13 -0,98 0,97 -0,07 -0,98 0,94 0,09 -0,96 0,94 0,08 -0,96

18 0,17 0,72 -0,96 0,12 0,63 -0,99 0,03 0,54 -0,99 0,11 0,63 -0,98

20 -0,12 0,99 -0,88 -0,17 0,98 -0,90 -0,43 0,89 -0,98 -0,28 0,95 -0,94

21 0,62 0,70 -0,50 0,64 0,82 -0,86 0,62 0,77 -0,65 0,66 0,77 -0,61

22 0,84 0,93 -0,25 0,71 0,80 -0,09 0,75 0,87 -0,38 -0,36 -0,24 0,75

23 0,69 -0,66 -0,19 0,14 0,02 0,58 0,03 0,07 -0,09 0,70 -0,77 -0,50

24 0,98 -0,37 -0,28 1,00 -0,24 -0,14 0,15 -1,00 -1,00 0,18 -1,00 -0,99

25 0,47 -0,92 -0,94 0,32 -0,83 -0,98 0,17 -0,74 -0,97 0,21 -0,76 -0,97

26 0,26 0,90 -0,82 0,40 0,81 -0,86 0,26 0,82 -0,88 0,80 0,62 -0,21

27 0,41 0,86 -0,92 0,51 0,78 -0,88 0,10 0,97 -0,95 0,31 0,87 -0,86

28 0,89 0,68 -0,97 0,97 0,88 -0,75 0,91 0,72 -0,97 0,98 0,95 -0,78

* Примечание: содержание гранулометрических частиц размерностью

менее 0,01 мм

Цинк. Рассмотрим механизмы распределения концентраций подвижных форм исследуемых тяжелых металлов и сравним значения с нормами предельно допустимых концентраций и фоновым содержанием. Для цинка ПДК подвижных форм, установленных СанПином [99], составляет 23,0 мг/кг.

Все исследуемые участки в верхних серогумусовых горизонтах почв имеют концентрацию выше ПДК, кроме районов отбора проб № 1, 2, 7, 14, 15, 22, 28, имеющих преимущественно аккумулятивно-элювиально-иллювиальный тип распределения (рис. 5.7) [96].

Рис. 5.7. Диаграммы распределения подвижных форм цинка в профилях исследуемых почв

Концентрация подвижного цинка на данных участках имеет тесную корреляционную связь с рН и гумусом более 0,6 (табл. 5.1), что свидетельствует о сорбции органо-минеральными комплексами в верхних серогумусовых горизонтах и миграции в элювиальных за счет уменьшения рН среды в средней части профиля. В районах, находящихся на расстоянии менее 5 км от комбината, разрезы № 3, 4, 8, 9, 11, 23, 24, 26, 27 (рис. 5.7), в верхних серогумусовых горизонтах содержание цинка от 1,5 до 30 раз выше ПДК и составляет 25,16 -743,00 мг/кг. Характер распределения по профилю - регрессивно-аккумулятивный [96].

Высокие концентрации подвижных форм цинка в серогумусовых горизонтах в разрезах № 3, 4, 8, 9, 11, 23, 24, 26, 27, вероятнее всего, связаны с сорбцией на поверхности органо-минеральных комплексов, что отражается тесной корреляционной связью 0,7 - 0,9 в указанных районах (табл. 5.1).

Фоновая концентрация подвижных форм цинка составляет 18,7 мг/кг. На всех участках, кроме № 1, 2, 4, 5, 7, 8, 14, 15, 22, 25, 28, в верхних горизонтах почв концентрации превышают фоновые значения. Максимальная концентрация в серогумусовом горизонте зафиксирована в разрезе № 9 - 743 мг/кг, что больше фона в 40 раз. М.А. Глазовская в своих исследованиях отмечала большую долю поступления подвижных и легкорастворимых форм цинка с аэрогенными потоками пирометаллургического производства [39].

Кадмий. В настоящее время нормативов, регламентирующих превышение подвижных форм кадмия, СанПином не установлено. Лишь для валового содержания имеются общесанитарные показатели, зависящие от гранулометрического состава: для песчаных и супесчаных ПДК составляет 0,5 мг/кг; суглинистых и глинистых при рИКСь < 5,5 - 1,0 мг/кг, при рИКСь > 5,5 - 2,0 мг/кг. К сравнению, в фоновых областях исследуемой территории концентрация подвижных форм кадмия составляет 0,21 мг/кг.

Наиболее высокие значения подвижных форм кадмия в почвенном профиле наблюдаются в серогумусовых горизонтах в диапазоне 0,3 - 2,3 мг/кг в разрезах № 3, 9, 11, 12, 13, 14, 16, 17, 20, 24, 26, 27, в которых концентрации подвижных форм выше фоновых значений в 1,5 - 10 раз. В данных районах наблюдается закономерность уменьшения концентрации подвижных форм с увеличением рИ почвы, что подтверждается тесной корреляцией 0,77 - 0,98 (табл. 5.1). К иллювиально-текстурным горизонтам концентрации уменьшаются в среднем до 0,02 - 0,25 мг/кг. Характер распределения по профилю имеет преимущественно регрессивно-аккумулятивный тип [96].

В результате изменения кислотно-основных свойств почв, близкого сродства и конкурентной сорбцией с ионами кальция, происходит накопление

кадмия преимущественно в верхних горизонтах, что также отмечается в исследованиях В.С. Путилиной [93].

Рис 5.8. Диаграммы распределения подвижных форм кадмия в профилях исследуемых почв

Трудность в замещении данных ионов появляется в результате высокой конкурентной сорбции. С отсутствием процессов выщелачивания кальция и магния происходит их первостепенное встраивание с образованием функциональных групп с гумусовыми веществами и, как следствие, перераспределение подвижного кадмия в профиле почв. Образование восстановительного нейтрального барьера в нижних горизонтах способствует

дальнейшему его закреплению и большей инертности, что наблюдается в районах отбора № 24 (рис. 5.8).

Свинец. ПДК подвижных форм свинца в почве, согласно установленным нормам СанПина [99], составляет 6,0 мг/кг. Фоновая концентрация в районе Красноуральского промузла составляет 3,16 мг/кг. В отличие от других исследуемых металлов, прочность закрепления свинца в гумусовом горизонте выше, что также подтверждается исследованиями аналогичной проблемы [22].

Рис 5.9. Диаграммы распределения подвижных форм свинца в профилях исследуемых почв

Так, в районах отбора проб № 2, 8, 10, 13, 18, 22 концентрация подвижных форм свинца в верхних горизонтах находится в диапазонах от 3,4 до 6,01 мг/кг, что выше фоновых значений в среднем в 1,5 - 2,0 раза, но ниже ПДК. Для данных территорий характерен регрессивно-аккумулятивный тип распределения, приближенный к недифференцированному (рис. 5.9) [96]. В местах отбора проб № 3, 4, 5, 6, 9, 11, 16, 20, 21, 24, 26, 27 концентрация исследуемых форм свинца