V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

В настоящее время коллективные сады в силу исторических причин стали неотъемлемой частью крупных городов и испытывают влияние промышленных предприятий. Для определения степени воздействия выбросов на территории садовых товариществ необходимо исследовать почвенный покров, как среду, долговременную депонирующую среду. В большинстве случаев исследованиям подвергаются лишь верхние горизонты почв, что не дает полной картины накопления загрязняющих веществ в почвенном профиле.

Именно поэтому целью работы является определение вертикального распределения тяжелых металлов внутри почвенного профиля.

Это предполагает выполнение следующих видов исследования:

1. заложение почвенного разреза и погоризонтный отбор проб через каждые 10 см;

2. последующий лабораторный анализ по определению физико-химических свойств почв

3. определение содержания валовых концентраций тяжелых металлов внутри почвенного профиля

4. установление связи между физико-химическими свойствами почв и вертикальным распределением тяжелых металлов

Исследуемая территория приурочена к подзоне Северной лесостепи. Почвенный покров представлен черноземом выщелоченным. Растительная ассоциация представлена березняком злаково-разнотравным остепненным.

Участок расположен в пределах границы областного центра, в северо-восточной части г. Челябинска, в зоне влияния промышленного района. К западу и северо-западу от территории с подветренной стороны находятся промышленные зоны металлургического и электрометаллургического комбинатов (рис. 1).

Рис. 1 Расположение участка с заложенным разрезом относительно крупных промышленных объектов

Рис. 2. Расположение разреза относительно ТЭЦ-3 и садового товарищества «Хлебосад»

В 200 м к северу от исследуемого участка расположена городская теплоэлектроцентраль № 3 (ТЭЦ-3), в 100 м к западу – садоводческое товарищество «Хлебосад». В западной части расположено русло искусственного водотока – сброс вод от ТЭЦ-3 (рис. 2). Участок выбран для исследования влияния промышленного района на садоводческое товарищество.

Почвенный разрез основного типа был заложен в октябре 2011 года в соответствии с ГОСТ17.4.4.2-84 «Почвы. Общие требования к отбору почв», и имел размеры 2,0х0,7 м., в глубину - 1,2 м. Пробы отбирались вертикально, через 0,1 м. Отбор проб, их транспортировка и хранение осуществлялись в соответствии с ГОСТ 17.4.3.1-83 (СТ СЭВ 3847-82) «Почвы. Общие требования к отбору почв». В дальнейшем почвы были доведены до воздушно-сухого состояния и исследованы в лабораториях факультета Экологии Челябинского государственного университета.

Механический состав является важным физическим параметром, от которого зависит инфильтрационная способность почв, в том числе и буферностъ. В таблице 1 приведен механический состав исследуемого почвенного разреза.

Таблица 1

Гранулометрический состав почвенных горизонтов

Интервал, см	1-0,25,%	0,25-0,05	0,05-0,01	Менее 0,01	Гран. состав
0-10	9,6	54,5	17,5	18,3	супесчаный
10-20	9,8	64,3	17,9	8,1	песчаный
25-30	31,0	46,9	12,2	9,9	песчаный
30-40	19,4	53,0	15,2	12,4	супесчаный
40-50	18,1	52,9	17,4	11,6	супесчаный
50-60	7,4	60,5	9,3	22,8	легкосуглинистый
60-70	5,1	44,3	11,1	39,6	среднесуглинистый
70-80	6,6	55,8	9,1	28,6	легкосуглинистый
80-90	12,0	63,5	7,0	17,5	супесчаный
90-100	6,1	62,3	6,1	25,5	легкосуглинистый

Рисунок 3. Распределение гранулометрического состава по почвенному профилю

Согласно полученным данным, в верхней части профиля почвы имеют супесчаный гранулометрический состав. Неравномерность распределения физической глины по профилю (рис. 3) свидетельствует о наличии слабо выраженного процесса оподзоливания, проявляющегося в аккумуляции физической глины в горизонте ВС. Согласно материалам по М.А. Глазовской, это является сорбционным геохимическим барьером. Обогащение тонкодисперсными частицами выражается в повышенной плотности горизонта (табл. 1). Предположительно в нем могут аккумулироваться тяжелые металлы.

Реакция среды (рН) является важным фактором, влияющим на поведение химических элементов в почве. В таблице 2 приведены результаты рН водной и солевой вытяжки.

Таблица 2

Результаты анализа рН водной и солевой вытяжки

Интервал, см	рН водной вытяжки	рН солевой вытяжки
0-10	7,4	7,02
10-20	7,1	6,82
25-30	6,9	6,72
30-40	6,7	6,70
40-50	6,6	6,67
50-60	6,8	6,80
60-70	7,0	6,88
70-80	7,3	7,10
80-90	7,5	7,30
90-100	7,6	7,39

Согласно таблице 2, рН водной вытяжки изменяется в от 6,6 до 7,6; солевой вытяжки - от 6,67 до 7,39.

Рис. 4. Распределение значений рН водной и солевой вытяжки по почвенному профилю.

На графиках рисунка 4 наблюдается тенденция уменьшения значений рН от верхнего горизонта А_д (7,4) до горизонта В (6,6), которую можно интерпретировать таким образом: верхние слои почвы испытывают влияние щелочных атмосферных осадков, а ниже по профилю идет естественное уменьшение этих значений. От горизонта В (6,6) к горизонту С (7,6) вновь происходит увеличение значений рН, что характерно для чернозема выщелоченного. Результаты реакций среды довольно интересны: можно наблюдать влияние естественных и антропогенных факторов.Наличие органических соединений определяет поведение тяжелых металлов в почвенных горизонтах, так как органические вещества обладают высокой катионообменной способностью. От наличия гумуса зависит способность ионов тяжелых металлов связываться в почвах, а так же их доступность для растений.

В таблице 3 приведены результаты анализа на содержание гумуса в почвенных горизонтах.

Таблица 3

Результаты анализа на содержание органических соединений

Интервал, см	Содержание гумуса, %
0-10	9,2
10-20	5,7
25-30	1,6
30-40	1,0
40-50	1,4
50-60	0,6
70-80	0,5
80-90	0,1
90-100	0,1

Содержание гумуса в горизонтах А_д и А₁ достигает 9,2 %, и резко уменьшается с глубиной, составляя на интервале 25-30 см всего 1,6 % (рис. 5). Таким образом, в верхней части почвенного профиля сформирован органогенный (гумусовый) барьер. Здесь происходит процесс связывания некоторых тяжелых металлов органическими веществами.

Рис. 5.Распределение гумуса в почвенном профиле.

Основной целью данной работы является выявление внутрипрофильного распределения ТМ. Почвенные пробы исследовались в лаборатории ОАО «Челябинскгеосьемка» методом спектрального анализа. Для анализа внутрипрофильного распределения нами были выбраны следующие металлы Ni, Co, Cr, Mn, Cu, Zn, Pb, Mo, выбор которых можно обосновать их наибольшими концентрациями в исследованных почвенных пробах, а также приоритетностью загрязнения ими в зоне влияния металлургической промышленности и высоким классом опасности (за исключением Mn). В таблице 4 показаны концентрации элементов по каждому почвенному горизонту. Кроме того в таблице показаны концентрации этих элементов в почвах фоновых территорий и кларки элементов почв мира по Данным А.П. Виноградова.

Таблица 4

Результат спектрального анализа, мг/кг

Интервал, см	Гориз.	Ni	Co	Cr	Mn	Cu	Zn		Mo
0-10	Ад	70,0	30,0	400,0	700,0	70,0	150,0	40,0	3,0
	А
10-20	А	100,0	30,0	200,0	700,0	70,0	150,0	40,0	3,0
25-30	АВ	100,0	20,0	150,0	600,0	60,0	100,0	40,0	1,5
30-40	АВ	100,0	20,0	150,0	600,0	50,0	70,0	30,0	1,0
40-50	В	100,0	20,0	150,0	500,0	50,0	70,0	30,0	1,0
50-60	В	100,0	20,0	150,0	500,0	50,0	70,0	20,0	1,0
60-70	ВС	150,0	20,0	20,0	600,0	60,0	100,0	20,0	1,0
70-80	ВС	100,0	20,0	20,0	600,0	50,0	70,0	20,0	1,0
80-90	С	100,0	20,0	20,0	500,0	50,0	70,0	20,0	1,0
90-100	С	150,0	30,0	20,0	500,0	60,0	100,0	30,0	1,5
100-110	С	150,0	30,0	20,0	500,0	60,0	100,0	30,0	1,5
110-120	С	150,0	30,0	20,0	450,0	60,0	110,0	40,0	1,5
В*		40	8	200	850	20	60	10	2
Фон**		59	13	171	1026	45	73	35	Н.Д

*Кларк элемента в почвах континента по данным А.П. Виноградова

**Фоновое содержание

По полученным данным были выявлены накопления тяжелых металлов в почве и построены графики их распределения по профилю (рис. 3, рис. 4). Превышения над фоновым содержанием в верхнем горизонте даны в табл. 2.

Таблица 5

Коэффициенты концентраций тяжелых металлов

Интервал, см	Горизонт	Ni	Co	Cr	Mn	Cu	Zn
0-10	Ад	1,19	2,30	2,34	0,68	1,56	2,05	1,14
	А
10-20	А	1,69	2,30	1,17	1,47	1,56	2,05	1,14
25-30	АВ	1,69	1,24	0,88	0,58	1,33	1,37	1,14

Из данных таблицы видно, что верхние почвенные горизонты исследуемого участка имеют превышения концентраций исследуемых элементов (за исключением марганца). Наибольших концентраций достигают кобальт, хром и цинк.

Рис. 6. Профильное распределение свинца, меди, никеля, кобальта и молибдена

Рис. 7. Профильное распределение цинка, марганца и хрома

Анализ распределения тяжелых металлов внутри профиля выявил следующие особенности:

1. Большинство исследуемых элементов имеют схожее распространение внутри профиля (Pb, Cu, Co, Mo, Mn, Cr). Их наибольшая концентрация отмечается в верхнем горизонте. Хотелось бы обратить внимание на тот факт, что в данном участке почвенного профиля гранулометрический состав был определен как песчаный и супесчаный. Это способствует формированию здесь промывного режима. Однако по нашим данным миграции элементов в нижние горизонты не происходит, что может указывать, что буферная емкость почв данной территории еще не исчерпана. С глубиной концентрация металлов уменьшается скачкообразно.

2. Некоторые элементы ведут себя особенным образом. Zn и Ni не образовали в верхнем горизонте устойчивых связей с органическими комплексами. В данном случае на распределение никеля наибольшее влияние оказывает содержание в почвенных горизонтах глинистых фракций: ионы никеля также теряют подвижность, попадая в межпакетные пространства кристаллической решетки глинистых минералов (рис. 8).

Рис. 8. Прямая зависимость распределения никеля в почвенном профиле от содержания глинистых фракций

В заключении можно сказать, что распределение по почвенному профилю у каждого металла имеет свои особенности. В то же время наблюдается некоторое сходство у следующих металлов: Pb, Cu, Co, Mo, Mn, Cr (рис. 6, рис. 7)

В большинстве случаев выявлена зависимость между концентрациями тяжелых металлов и содержанием гумуса (исключение - Zn и Ni).

Список используемой литературы:

1.  
   1.  
      1.  

         1. ГОСТ 12.5.2.3-77 «Метод определения величины рН водной вытяжки».

         2. ГОСТ 12.5.3.6-79 «Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава».

         3. ГОСТ 17.4.3. 1-83 (СТ СЭВ 3847-82) «Почвы. Общие требования к отбору почв».

         4. ГОСТ 17.4.4.2-84 «Почвы. Общие требования к отбору почв».

         5. ГОСТ 23.7.4.0-79 «Грунты. Методы лабораторного определения содержания органических веществ».

         6. ГОСТ 26483-85 «Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее pH по методу ЦИНАО».

         7. Вадюнина А. Ф., Корчагина З. А. Методы определения физических свойств почв и грунтов в поле и лаборатории. — Минск: Высш. шк.,1961. – 345 с.

         8. Давыдова Н.Д. Ландшафтно-геохимические барьеры и их классификация. Иркутск: Институт географии СО РАН, 2005.

Код для цитирования: Скопировать