Тяжелых металлов в различных типах почв, мг/кг

Элемент	Гранулометрический состав и рН почвы
Песчаные и супесчаные	Суглинистые и глинистые кислые почвы (рНКCl<5,5)	Суглинистые и глинистые нейтральные и близкие к ним почвы (рНКCl>5,5)
Кадмий	0,5	1,0	2,0
Никель	20,0	40,0	80,0
Цинк	55,0	110,0	220,0
Медь	33,0	66,0	132,0

 

Однако показатель ПДК – непостоянная величина и меняется, если установлены новые, ранее не замеченные эффекты воздействия. Не учитывают ПДК и эффект совместного синэргетического воздействия на живые организмы нескольких химических элементов, которые содержатся в почве в разных формах и концентрациях [149].

По полученным и интерпретированным данным выявляются механизмы миграции и концентрации элементов в городских ландшафтах, степень их техногенной трансформации, выполняется почвенно-геохимическое зонирование территории города.

Установлено, что почвы городских территорий могут существенно отличаться от своих аналогов в пределах природной зоны [150, 151, 152]. Среди важнейших изменений следует отметить подщелачивание городских почв, увеличение содержания органического вещества и элементов питания растений, изменение макро- и микроэлементного состава почв.

Подщелачивание обусловлено осаждением на поверхность почвы строительной и другой пыли, содержащей карбонаты кальция и магния. Подщелачивание почв городов возможно также и за счет золы, образующейся при сгорании большинства видов топлив и имеющей щелочную реакцию. Кроме того, под действием осадков с большим количеством растворенной углекислоты, в почвах происходит образование бикарбонатов, которые являются гидролитически щелочными солями [94].

Результаты исследований свидетельствуют также об обогащении городских почв гумусом. Как видно из таблицы 21.12, среднее содержание гумуса в минеральных почвах городов находится в пределах 3,6–4,7 %, тогда как в дерново-подзолистых ненарушенных автоморфных почвах Беларуси его содержание колеблется в пределах 0,1–3 %. Наиболее высокое содержание гумуса характерно для почв промышленных и селитебных ландшафтов, где верхние почвенные горизонты полностью или частично заменены техногенным субстратом или насыпным гумусовым горизонтом.

Таблица 21.12

Содержание гумуса в почвах различных функциональных зон городов, % [153]

Функциональная зона	Минск	Гомель	Светлогорск
среднее	пределы	среднее	пределы	среднее	пределы
Селитебная	4,7	1,1–13,6	4,4	4,1–4,9	2,4	2,3–2,5
Агроселитебная	4,1	2,0–8,8	4,2	1,3–10,9	2,9	1,8–6,2
Промышленная	7,9	3,0–9,5	5,7	2,0–13,0	не опр.	0,99
Сельскохозяйственная	2,5	1,0–7,9	2,6	0,9–6,2	3,6	1,0–7,5

 

В условиях города происходят изменения почвенного поглощающего комплекса (ППК). Установлено, что в городских почвах содержится повышенное по сравнению с фоном количество обменных оснований. В почвах г. Минска сумма обменных кальция и магния примерно в 40 % проб более чем вдвое превышает фоновое значение. Наибольшими изменениями ППК отличаются почвы промышленной и селитебной застройки. Изменение содержания обменных оснований сопровождается увеличением сорбционной способности почв к загрязняющим веществам. Максимальные значения емкости поглощения достигают 21–27 мг-экв/100 г (при фоновых в пределах 6–9). Насыщенность основаниями достигает 95–99 % [153].

Увеличиваются в почвах городов концентрации подвижных форм питательных элементов: фосфора, калия, легкогидролизуемого азота и серы, хотя уровни содержания могут существенно варьировать. Это связано, с одной стороны, с общими тенденциями трансформации физико-химических свойств городских почв, с другой – со спецификой источников воздействия и составом поступающих в окружающую среду загрязняющих веществ.

В высоких количествах в городских почвах содержатся тяжелые металлы. К настоящему времени этот вид трансформации почв хорошо изучен, при этом установлено, что металлы поступают в почву в основном из атмосферного воздуха и с твердыми отходами, включая золу. Далее они вовлекаются в биологический круговорот и вызывают целый ряд негативных последствий. При максимальном проявлении процесса химического загрязнения почва теряет способность к продуктивности и биологическому самоочищению, происходит потеря экологических функций и гибель урбосистемы. Изменяется состав, структура и численность микрофлоры и мезофауны. «Перегрузка» почвы тяжелыми металлами может полностью или частично блокировать течение многих биохимических реакций. Тяжелые металлы уменьшают скорость разложения органического вещества почв.

В почвах городов наиболее контрастные аномалии тяжелых металлов приурочены к промышленным площадкам, локальным очистным сооружениям, местам складирования отходов. Часто до опасных уровней (выше ПДК) обогащены металлами почвы центральных старообжитых частей городов, где почвенный покров значительно преобразован, и верхние горизонты сформированы с участием отложений отходов производства и потребления.

Ландшафтно-геохимические исследования, проведенные на территории Восточного округа Москвы в 1989 и 2005 г., выявили пространственно-временные тренды накопления свинца в почвах и растениях. За указанный период валовое содержание свинца в почвах увеличилось в среднем в 2,2 раза, а вариа­бельность снизилась, что объясняется посте­пенным нивелированием различий в физико-химических свойствах городских почв. Региональный кларк валового свинца (8 мг/кг), при этом был превышен в 4,3 раза на момент первого обследования и 9,5 раза – второго. Замечено, что накопление свинца в почвах изменяется по функциональным зонам: круп­ные автомагистрали и промзоны > старые жилые кварталы > агроландшафты > внутрирайонные ули­цы > рекреационные зоны > новостройки. Очень вы­сокая концентрация свинца наблюдалась в урбо-дерново-подзолистых почвах и урбаноземах старых жилых квар­талов, что обусловлено максимальной сорбционной емкостью почв и длительным периодом антропогенного воздействия [154].

Изменение макро- и микроэлементного состава городских почв сопровождается трансформацией почвенно-геохимической структуры территории: резко возрастает радиальная дифференциация за счет накопления элементов в верхних горизонтах почв.

Как известно, в естественных условиях концентрация тяжелых металлов в почве повышается от автономных (элювиальных) к подчиненным (супераквальным) ландшафтам. Однако в условиях города эта закономерность может не проявляться. Как свидетельствуют данные, приведенные в таблице 21.13, наиболее высоким накоплением свинца отличаются почвы автономных ландшафтов. Это связано, с одной стороны, с более интенсивными нагрузками на природную среду в пределах автономных ландшафтов, с другой – со слабой подвижностью свинца в городских почвах.

 

Таблица 21.13

Среднее содержание свинца в почвах ландшафтов г. Минска [129]

Род ландшафта	Объем выборки	Содержание свинца, мг/кг
Элювиальные		23,4
Элювиально-аккумулятивные		17,3
Собственно супераквальные		15,1
Транссупераквальные		19,5

 

Растительный покров. Отличительной чертой растительного покрова городских территорий является его неоднородность. Естественная растительность лесопарковых зон, пустырей сочетается здесь с культурными насаждениями парков, скверов, внутриквартальных посадок, а также с растительностью приусадебных участков, на которых выращивается сельскохозяйственная продукция.

Растения очень чутко реагируют на техногенные изменения состояния городской среды, однако изменение их химического состава – очень сложный и многофакторный процесс. Оно обусловлено видом растений, содержанием и формами нахождения элементов в почвах, грунтовых водах, атмосферном воздухе и осадках, ландшафтно-геохимическими особенностями территории и другими факторами, совместное действие которых зачастую нивелирует связь между интенсивностью техногенного воздействия и содержанием элементов в растительности.

Тем не менее, элементный состав растений, особенно содержание тяжелых металлов, является важным индикатором состояния городской среды. Городские растения испытывают негативное воздействие значительного числа веществ-загрязнителей: оксидов серы, азота и углерода, тяжелых металлов, соединений фтора, фотохимического загрязнения, углеводородов и др. Наибольшую опасность для растений представляют выбросы в атмосферу диоксида серы, содержащегося в продуктах сгорания топлива, а также фтористого водорода, образующегося при производстве алюминия и фосфатов [94].

Воздействие на естественные растительные сообщества повышен­ных концентраций металлов инициирует процесс отбора среди разных видов растений. Однако, несмотря на огромное количество проведенных исследований, пока нет четкого понима­ния механизмов устойчивости у растений. Полученные результаты показывают, что устойчивость растений к воздействию металлов – генетически обусловленный феномен. Однако, в противоположность выдвигавшимся ранее предположениям, устойчивость растений не является металлоспецифичной. Это означает, что некоторые растения могут быть устойчивы к поступлению большого спектра металлов [102].

При сходных условиях произрастания и техногенного воздействия у живых организмов проявляются видовые особенности поглоще­ния металлов. Растения одних видов развивают механизмы, которые предотвращают поглощение и перенос ионов; других – аккумулируют металлы, но при этом развивают механизмы уменьшения токсического эффекта; третьих – могут накапливать без вреда для себя металлы в больших количествах.

В загрязненной металлами среде у растений могут появляться види­мые симптомы токсичности, такие как изменение окраски листьев, хло­розы и некрозы, наблюдаться угнетенный рост. Иногда реакция на негативное воздействие проявляется через отсутствие некоторых видов в расти­тельном сообществе. Зачастую избыточное биологическое поглощение поллютантов вызывает угнетение ростовых процессов вплоть до усыхания растений.

Методы, основанные на изучении ответных реакций организмов на техногенное воздействие, делятся на две группы: биоиндикации и биогеохимического анализа. Биоиндикация анализирует морфологические, физиологические, продукционные и популяционно-динамические изменения растений. Биогеохимический анализ основан на исследовании элементного состава растений, изучении биогеохимических аномалий. Элементный состав и показатели аккумуляции тяжелых металлов растениями, являются важными индикаторами условий городской среды. В научной литературе широко представлены данные о накоплении тяжелых металлов в растительности на территории городов и в зонах влияния различных источников загрязнения.

При выявлении биогеохимических аномалий анализируется химический состав растений, произрастающих в городских условиях. В качестве биоиндикаторов чаще всего используются листья, молодые побеги, кора наиболее распространенных в городе видов древесных растений, подстилка (опад), при наличии – мох. Для индикационных целей обычно используют доминирующие на территории города породы деревьев, чаще всего тополь, липу, березу. Техногенные соединения поступают в растения механическим путем из атмосферного воздуха и в растворенном виде из загрязненных почв. В атмосферном воздухе основная доля металлов содержится в составе аэрозолей, которые выпадают с осадками на растительный и почвенный покров. Биогеохимические методы характеризуют состояние городской среды в теплое время года, в период вегетации растений и достаточно активной водной миграции веществ, поступающих в растения из почв. Зимой растения выступают только как депонирующие поверхности.

Изучается на территории городов также накопление элементов в выращиваемой растениеводческой продукции. Как известно, сельскохозяйственная продукция, выращенная на загрязненных почвах, может содержать значительные количества тяжелых металлов [94, 155 и др.]. Выращивание продовольственных культур на территории городов и вокруг них стало важным занятием, обеспечивающим существование многих горожан. По оценкам [92], 15 % продовольствия, потребляемого в городах, производится городскими фермерами. В некоторых городах, как например, в Гаване, все свободное пространство, включая крыши домов и балконы, используется для выращивания продовольственных культур. Около 72 % городских семей в Российской Федерации выращивают продовольственные культуры на небольших садовых и дачных участках. В Беларуси выращивание сельскохозяйственной продукции – явление достаточно типичное как для малых, так и для крупных городов, включая промышленные центры. Выращивание плодовых культур, овощей, картофеля осуществляется на приусадебных участках в зонах индивидуальной застройки, а также на садово-огородных участках, размещенных как в пределах городов, так и в пригородных зонах. Кроме того, широко практикуется создание огородов на временно пустующих участках, в том числе в санитарно-защитных зонах предприятий и очистных сооружений.

Отбор проб растительного материала, как правило, производится в процессе комплексной ландшафтно-геохимической съемки, одновременно с почвенным опробованием. Пункты съемки закладываются обычно по равномерной сети с шагом 500 м. В районах интенсивных техногенных нагрузок (на промплощадках, в зонах влияния очистных сооружений и свалок) сеть съемки сгущается, закладываются дополнительные точки опробования.

Изучение содержания тяжелых металлов в древесных растениях городов Беларуси дало возможность достаточно четко выявить биогеохимические аномалии в зонах воздействия интенсивных техногенных источников. В частности установлено, что в листьях и побегах березы вокруг химического завода, в высоких концентрациях содержатся цинк, свинец, медь, хром, ванадий, марганец и никель, превышая фоновые содержания в 3-10 раз. Накопление тяжелых металлов в зонах воздействия предприятий по производству хрустального стекла – пример преобладающей роли атмотехногенного поступления техногенных веществ в растения. В наибольшей степени металлы аккумулируются в лесной подстилке, мхах, коре деревьев, которые их удерживают. При этом высокие уровни накопления металлов в растительности не всегда сопровождаются загрязнением почв, что связано с внекорневым поступлением элементов в наземные органы растений. Среди накапливающихся элементов преобладают свинец и цинк. Их содержание превышает фоновое во всех растительных образцах, при этом в 50 % проанализированных проб превышен порог токсичности по свинцу, в 18 % – по цинку [129].

Полученные данные биогеохимического анализа растениеводческой продукции (свекла, капуста, морковь, картофель), выращенной на территории промышленных центров городов Светлогорска, Полоцка, Березовки, свидетельствуют о широком диапазоне содержания тяжелых металлов в овощах, что объясняется различными уровнями загрязнения почв, разными ассоциациями накапливающихся в почвах элементов-загрязнителей и их подвижностью. Во многих случаях превышены санитарно-гигиенические нормативы содержания в овощах цинка, кадмия и свинца. Обращает на себя внимание отсутствие накопления свинца в корнеплодах овощей и клубнях картофеля, а также в капусте, отобранных на огородах в Березовке, что связано с малоподвижной формой свинца, присутствующего в почвах исследованных участков. При этом аномально высокое содержание свинца, кадмия и цинка в листовом салате обусловлено, вероятно, воздушным переносом поллютантов. Типичной проблемой выращивания сельскохозяйственных растений на приусадебных участках населенных пунктов Беларуси является нитратное загрязнение продукции, что обусловлено, прежде всего, бытовым загрязнением почв и грунтовых вод, а также избыточным внесением удобрений [129].