Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Геохимия кадмия, свинца и цинка как загрязнителей почв 9
1.1. Кадмий 12
1.1.1. Кадмий в почвах 13
1.1.2. Кадмий в живых организмах 15
1.2. Свинец 17
1.2.1. Свинец в почвах 17
1.2.2. Свинец в живых организмах 19
1.3. Цинк 20
1.3.1. Цинк в почвах 20
1.3.2. Цинк в живых организмах 22
Глава 2. Объекты и методы исследования 24
2.1. Объекты исследования 24
2.2. Методы исследования 26
2.2.1. Полевые 26
2.2.2. Лабораторные 27
2.2.3. Статистические 28
2.2.4. Картографические и ГИС 29
Глава 3. Условия почвообразования и почвы на объектах исследования 30
3.1. Условия почвообразования 30
3.1.1. Рельеф 30
3.1.2. Почвообразующие породы 34
3.1.3. Техногенное воздействие 35
3.2. Почвы 36
3.2.1. Домодедовский округ 36
3.2.2. Аэропорт «Домодедово» 52
3.2.2.1. Дерново-подзолистые почвы естественного строения профиля 52
3.2.2.2. Техногенные поверхностные образования -квазиземы - почвогрунты искусственного строения профиля 59
3.2.3. Полигоны «Зеленоградская», «Хрипань», «Сосновка» 65
Глава 4. Техногенное загрязнение почв Домодедовского района Московской области тяжелыми металлами 67
4.1. Суммарная оценка загрязнения 67
4.1.1. Характер загрязнения снежного покрова 69
4.2. Источники загрязнения тяжелыми металлами 75
4.3. Содержание подвижных форм кадмия, свинца и цинка в почвах окружающих аэропорт «Домодедово» 79
Глава 5. Геохимическая оценка загрязнения почв и техногенных поверхностных образований округа и аэропорта «Домодедово» 82
5.1. Оценка загрязнения по группам почв 82
5.2. Пространственная характеристика загрязнения почв 85
5.3. Внутрипрофильная характеристика загрязнения почв 90
Выводы 94
Литература 96
- Кадмий в живых организмах
- Домодедовский округ
- Характер загрязнения снежного покрова
- Внутрипрофильная характеристика загрязнения почв
Введение к работе
Актуальность темы Техногенное воздействие на почвенный покров, носит в настоящее время достаточно устойчивый характер, как во времени, так и в пространстве и проявляется в разных формах Трансформирует почвенный профиль в целом, изменяет направления почвообразовательных процессов и свойства почв, загрязняет их поллютантами, в частности тяжелыми металлами (ТМ) При этом, аномалии загрязнения ТМ, как правило «привязаны» к различным техногенным загрязнителям - автомагистралям, бензозаправкам, химическим и металлургическим заводам, строительным предприятиям, свалкам и полигонам твердых бытовых отходов (ТБО), отстойникам с осадками сточных вод (ОСВ)
Прямо или опосредованно к ним обычно относят и крупные аэропорты г Москвы «Домодедово», «Шереметьево, «Внуково» (Большаков и др , 1993, Государственный доклад , 1997,1998,1999, Большаков, Водяницкий, Борисочкина, 1999, Большаков, Борисочкина, 2002, Информационный отчет , 2004, Генеральный план , 2006, Белобров, Замотаев, 2007)
Округ «Домодедово», включающий всю северную часть одноименного района и территорию огромного технокомплекса аэропорта, относится по техногенным и селитебным нагрузкам к наиболее загрязненной центральной эколого-экономической зоне Московской области, где в целом сложилась сложная, критическая экологическая ситуация (Большаков, Борисочкина, 2002)
В определенной степени она обусловлена загрязнением почвенного покрова ТМ, в особенности их подвижными формами Последние фиксируются в почвенных растворах легких и малогумусных дерново-подзолистых почв, доминирующих в округе, представляя наибольшую опасность для всего живого (Войтович, 1997, Почвы , 2002)
Дефицит данных о свойствах и характере загрязнения тяжелыми металлами почв аэропорта «Домодедово», оставляет вопрос о его негативном воздействии на окружающую среду округа в целом открытым Причем оценка техногенного воздействия аэропорта на почвенный покров округа «Домодедово» остается особенно актуальной и в плане мониторинга
Цель и задачи. Цель настоящей работы - оценка пространственного и внутрипрофильного загрязнения почв округа «Домодедово» и одноименного аэропорта, тяжелыми металлами (кадмий, свинец и цинк)
Задачами работы являются
-
Морфо-генетическая характеристика почв и техногенных поверхностных образований (ТПО) аэропорта «Домодедово»
-
Выявление аномалий Cd, Pb и Zn и обуславливающих их факторов
-
Геохимическая оценка загрязнения почв и ТПО аэропорта и окружающих территорий округа «Домодедово»
-
Оценка влияния аэропорта «Домодедово» на загрязнение почв округа тяжелыми металлами
Научная новизна работы
-
Впервые для всей территории округа, включая аэропорт «Домодедово» на основе сравнительно-географического анализа дана почвенно-геохимическая оценка загрязнения естественных и агродерново-подзолистых почв, а также ТПО подвижными формами Cd, Pb и Zn
-
Выявлено, что аномальный характер загрязнения Cd, Pb и Zn почв и ТПО аэропорта пространственно ограничен его территорией, имеет точечно-локальную форму и техногенную природу, что не дает оснований во-первых,
считать загрязнение критическим и, во-вторых, определяющим для окружающих аэропорт естественных и агрогенных ландшафтов
3 Аномалии загрязнения почв подвижными формами Cd, Pb и Zn за пределами
аэропорта, в основном обусловлены автотранспортом, свалками и полигоном ТБО, очистными сооружениями, а также внесением фосфорных удобрений и ОСВ Прямое воздействие аэропорта на окружающие почвы отмечается для юго-восточной части объекта и связано с латеральными геохимическими потоками с территории аэропорта Эффективность воздействия блокируется геохимическими барьерами в ШО аэропорта (в основном нейтрально-щелочным рН, высоким содержанием органического вещества и сменой гранулометрического состава)
Защищаемые положения.
-
В окружающих аэропорт «Домодедово» почвах выявлены локальные аномалии Cd, Pb и Zn, некоторые из которых превышают ПДК Наблюдается тенденция расширения площадей аномалий разного уровня, на фоне слабого увеличения содержания подвижных форм ТМ в почвах с естественным и антропогенно-преобразованным профилем
-
Аэропорт «Домодедово» не оказывает существенного влияния на загрязнение почвенного покрова округа «Домодедово» Cd, Pb и Zn
-
Повышенные содержания подвижных форм Cd, Pb и Zn в подповерхностном слое (20-30 см) пахотных и залежных дерново-подзолистых почв на объектах исследования Московской области являются следствием использования химических (фосфатных) и органических (в качестве добавок ОСВ) удобрений, содержащих ТМ Относительные аккумуляции подвижных форм ТМ в особенности цинка, в горизонтах А2В, ВА2 и В1 целинных дерново-подзолистых почв обусловлены элювиально-иллювиальной дифференциацией ТМ по профилю
Практическая значимость работы. Полученные результаты расширяют представления о характере загрязнения ТМ почв и ТПО на территории аэропорта «Домодедово» и в его окрестностях Выявленные аномальные концентрации Cd, Pb и Zn в естественных, агрогенно-и антропогенно-преобразованных почвах окружающих аэропорт, не являются экологически опасными для здоровья человека и локализованы хорошо известными и установленными в районе обследования источниками - загрязнителями (автомобильные трассы, ТБО, очистные сооружения)
Настоящие данные по загрязнению почв и ТПО аэропорта «Домодедово» служат отправным пунктом для устранения локализованных повьппенных концентраций, а также для мониторинга
Объекты исследования Почвы и почвенный покров (естественные и антропогенно-преобразованные почвы, а также ТПО) округа «Домодедово», включая территорию одноименного аэропорта Целинные и в разной степени окультуренные дерново-подзолистые почвы полигонов Пушкинского района Московской области («Зеленоградская»), Раменского («Хрипань») и Озерского («Сосновка»)
Объем и структура работы Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, приложения и списка литературы из 130 наименований (из них 21 на иностранных языках) Диссертация изложена на 105 страницах машинописного текста, включает 21 таблицу и 36 рисунков
Кадмий в живых организмах
. Кадмий - один из наиболее токсичных тяжелых металлов, обладающий канцерогенными свойствами. Вреден для живых организмов даже в минимальных дозах. Для кадмия не типична барьерная зависимость между его содержанием в почвах и растениях. Вследствие этого подвижность кадмия в кислой среде гумидных ландшафтов создает серьезную опасность загрязнения растений. Особенно отчетлива такая линейная корреляция в надземных органах. Листья шпината, зерна злаков и т.п. на загрязненных почвах поглощают кадмий активнее, чем корни, например, клубни картофеля, хотя содержание кадмия в корнях растений фоновых ландшафтов обычно выше его содержания в надземных частях растений на порядок и более (Иванов, 1994; Люблина, Дворкин, 1983; Page et. al., 1973; Ragan et. al., 1990 и др.).
Кадмий попадает в растения как из почвы, так и из воздуха. Степень поглощения кадмия растениями связана с величиной рН, видом растений и типом почв, однако поглощение из почвы ограничено. Там, где имеет место высокое содержание кадмия (в пределах сотен мг/кг), основным эффектом является снижение роста растений.
Хорошо известны сельскохозяйственные культуры, являющиеся концентраторами кадмия - салат-латук, шпинат, морковь, картофель. У растений подвергшихся длительному воздействию кадмия, может развиться толерантность к металлу (Иванов, 1994; Экология, 1997; De Boo , 1990; Lodenius, 2002 и др.).
Принимая во внимание, что в прошлом, в меньшей степени в настоящем, большая часть территории округа представляет собой зерновую, корнеплодную и кормовую для крупного рогатого скота сельскохозяйственную базу, слежение за уровнем содержания кадмия в почвах региона чрезвычайно важно.
Высокая концентрация и подвижность кадмия в отходах разнообразных производств определяют его миграцию в аквальные ландшафты. В реках, озерах, водохранилищах промышленных городов кадмий аккумулируется в илах, рыбе, водной растительности, бентосе и планктоне. Для организмов особенно опасен растворенный кадмий, доля которого в загрязненных водоемах составляет 50 - 70% от общего содержания, что значительно больше, чем у других ТМ.
В илах, например, кадмий легко сорбируется органическими и неорганическими лигандами и также легко десорбируется, вновь поступая в воды. Именно поэтому особенно опасна его вторичная мобилизация в промышленных регионах из загрязненных донных отложений. Локальные аккумуляторы - пруды, распространенные на территории округа являются опасными потенциальными очагами загрязнения ТМ донных отложений.
Домодедовский округ
. В приложении даны морфологические описания всех точек опробования.
Почвы с естественным профилем распространены под хвойно-широколиственными лесами и луговым разнотравьем. Причем в нижней части профиля у почв, подстилаемых более тяжелыми покровными суглинками, отчетливо прослеживаются признаки оглеения. Незначительная часть территории в юго-восточной части занята полугидроморфными оторфованными с поверхности почвами.
Значительная часть почв вовлечена в сельскохозяйственный оборот и трансформирована в агродерново-подзолистые, занятые в основном под зерновые, а также кормовые травяные культуры (рис. 5 и 6).
Дерново-подзолистые почвы под лесами и агроландшафтами, как правило, супесчано-легкосуглинистые. На территории населенных пунктов, предприятий, по обочинам транспортных магистралей отмечаются искусственно созданные почвогрунты различного гранулометрического состава (рис. 7).
Из литературных источников по Домодедовскому району в целом известно, что дерново-подзолистые почвы имеют слабокислую реакцию рНв. 4,5-6,5 (Почвы..., 1974, 2002; Состояние..., 1997; Информационный отчет..., 2004; и др.). Вблизи транспортных магистралей с интенсивным движением (Москва - аэропорт «Домодедово», кольцевая бетонная дорога, автотрасса аэропорт Домодедово - пос. Востряково) почвы нейтральные (рНв 6,5-7,5), что связано с их подщелачиванием. Подщелачивание почв вызвано использованием в зимний период противогололедных препаратов (NaCl). На отдельных участках автомагистралей, в местах их пересечения, в населенных пунктах (ж/д ст. «Авиационная») почвы в результате интенсивной обработки противогололедными препаратами приобрели слабощелочную реакцию (рНв 7,5-8,5).
Почвы с нейтральной реакцией раствора занимают значительные пространства в регионе. Наиболее вероятным источником подщелачивания почв являются азотистые удобрения (калиевая и натриевая селитра), о чем свидетельствуют повышенные содержания натрия в водных вытяжках при отсутствии хлора, являющегося его спутником на участках, загрязненных противогололедными препаратами.
Почвы с нейтральным рН отмечаются также в бассейне р. Пахра, что связано с близким залеганием к поверхности известняков, обуславливающих и повышенную карбонатность почв.
Самая значительная по площади аномалия кальция приурочена к северной периферии аэропорта Домодедово, от которой она протягивается через лесной массив на расстояние 5 км при средней ширине 1.5 км (Информационный отчет..., 2004). Причем источник ее происхождения не ясен. Возможно, это обусловлено как влиянием аэропорта, так и природными факторами, среди которых наиболее вероятно близкое подстилание лессовидных суглинков на эродированном макросклоне северо-западной экспозиции.
Дерново-подзолистые почвы под лесными массивами имеют низкое содержание гумуса (1,5-2,0%). Агродерново-подзолистые почвы также имеют низкое и очень низкое содержание гумуса (1-2%), что в значительной степени является следствием истощения почв. В последние 10-15 лет внесение органических и минеральных удобрений резко сократилось. Учитывая легкий гранулометрический состав почв фактор выщелачивания на фоне промывного водного режима представляется решающим.
На примере морфологических описаний и аналитической характеристики нескольких полнопрофильных разрезов (Р-11, Р-27, Р-30, Р-41, Р-45 и Р-59), характеризующих почвы с естественным профилем под лесными массивами и в разной степени преобразованные процессами окультуривания, рассмотрим их основные свойства и региональные особенности.
Р-11. На окраине лесного массива с преобладанием лиственных пород главным образом березы, на расстоянии около 2 км к западу от трассы в аэропорт "Домодедово" и в 4 км на восток от г. Домодедово с координатами 55 28 1,9" С.Ш. , 37 49 3,6" В.Д. Абс. высота 167 м. Дерново-подзолистая глубокоосветленная (рис. 8).
Р-27. Буферная зона автотрассы в аэропорт "Домодедово" (в настоящее время залежь). В 20 м к востоку от трассы и в 7 км от самого аэропорта с координатами 55 28 40,4" С.Ш. , 37 51 4,9" В.Д. Абс. высота 146 м. Агродерново-подзолистая мелкопахотная.
Alnax 0-12 см. Темно-серый, легкосуглинистый, крупнокомковатый, слабоуплотненный, слабоувлажненный, переход четкий.
А1А2 12-25 см. Светло-серый, легкосуглинистый, комковатый, слабоуплотненный, слабоувлажненный, переход постепенный.
Характер загрязнения снежного покрова
Загрязнение снежного покрова позволяет оценить ситуацию с поступлением поллютантов из атмосферы и прогнозировать зоны с опасными и потенциально опасными их концентрациями, которые могут привести к ухудшению состояния почвенного покрова. По степени загрязнения снежного покрова пылевыми и аэрозольными выбросами район, так же как и вся Центральная эколого-экономическая зона, характеризуется самыми высокими показателями для Московской области. Общая площадь территорий с максимальным загрязнением снежного покрова составляет более 10% всей территории Московской области. По данным на 2005-2006 гг. интенсивность пылевых выпадений в целом близка к фоновым значениям для Московской области, максимальные значения характерны для полосы влияния автомагистрали Москва - аэропорт «Домодедово» и собственно аэропорта «Домодедово» (до 82 кг/км сут).
Состав пылевых выпадений полиэлементный, и помимо макроэлементов (Si, Al, Fe, S, Р, Na, К, Mg, Са и Сорг.) в них присутствуют и микроэлементы, большинство из которых является токсикантами (Cd, Pb, Zn, Си, Ni и др.). Оценка распределения пылевой нагрузки на исследуемой территории позволила предположить, что основные источники загрязнения атмосферы и, следовательно, снегового покрова и почв связаны с авто- и авиатранспортом. При анализе загрязненности снежного покрова подвижными формами ТМ (отдельно проводилось обследование снеговой взвеси -отфильтрованного осадка и снеговой воды - фильтрата), выяснилось, что подвижными формами ТМ загрязнено более 50% территории, прилегающей к аэропорту «Домодедово». Большая доля элементов-загрязнителей находится во взвешенной форме.
В целом содержание токсичных микроэлементов сопоставимо с содержанием в речных водах, причем особенности состава снежного покрова в районе исследований типичны для урбанизированных и промышленных районов. Взвешенными формами свинца загрязнено около 67% процентов исследованной территории, цинка - 38% и кадмия - 35%.
Характер распределения этих элементов указывает на то, что источниками загрязнения ими снежного покрова являются, в первую очередь, аэропорт «Домодедово» (движение авиатранспорта, функционирование наземных служб и всех связанных с работой аэропорта предприятий) и автомобильные дороги. Карты пространственного загрязнения цинком, свинцом и кадмием снежного покрова, а также суммарного показателя загрязнения снежного покрова приведены на рис. 19-25 (Информационный отчет..., 2004; Сколотнева, 2006 и др.).
Внутрипрофильная характеристика загрязнения почв
На рис. представлены коэффициенты радиальной дифференциации - R для Cd, Pb и Zn в дерново-подзолистых и агродерново-подзолистых почвах вместе с ТПО округа «Домодедово». За единицу принят коэффициент для горизонта 40-50 см. В дерново-подзолистых почвах прослеживается отчетливая тенденция к фиксации кадмия, свинца и цинка в поверхностных горизонтах (во всех случаях значения коэффициента радиальной дифференциации указывают на наличие резкоконтрастных радиальных геохимических барьеров).
Как отмечалось выше, фиксация свинца наблюдается в подповерхностном горизонте, на глубине 20-30 см. Причем как в дерново-подзолистых, так и агродерново-подзолистых почвах. В целом фиксация тяжелых металлов в гумусовом и подгумусовом горизонтах почв связана, по-видимому, с геохимическими барьерами окислительно-восстановительного и сорбционного генезиса. При этом аномалии кадмия, цинка и особенно свинца, отмеченные преимущественно на глубине 20-30 см - следствие сорбционного барьера. В большинстве разрезов и буровых именно на этом уровне происходит смена механического состава почв - супесчано-легкосуглинистыи состав сменяется на средне- и тяжелосуглинистый.
Для цинка характерно более равномерное падение коэффициента R вниз по профилю с тенденцией к относительному накоплению на глубине 20-30 см в дерново-подзолистых почвах, по сравнению с агродерново-подзолистыми. Кадмий в отличие от других ТМ накапливается во всех почвах только в слое 0-10 см.
Крупная аномалия кадмия (рис. 34) в северо-западной части района исследований прослеживается на всех глубинах, кроме поверхностного слоя, имея при этом почти один и тот же вид и проявляясь в одних и тех же точках. Скорее всего, она имеет антропогенное происхождение и связана со строительством дороги. Хотя почвы в данных точках были описаны как дерново-подзолистые, вполне возможно, что они относятся к группе ТПО.
Похожее образование отмечено и для цинка на глубине 20-30 см (рис. 34) почти в тех же точках. Однако в этом случае аномалия прослеживается и на поверхности (на большей площади). Происхождение аномалии на глубине также может быть связано не столько с миграцией цинка вглубь профиля (и дальнейшей его фиксацией), сколько с антропогенными педотурбациями и образованием ТПО.
В естественных дерново-подзолистых почвах аномалии цинка и кадмия на различных глубинах выражены менее контрастно и носят локально-точечный характер.
Для свинца какие-либо превышения фонового содержания внутри профиля почв представлены лишь одной точечной аномалией на глубине 20-30 см в дерново-подзолистых почвах (рис. 33). Судя по тому, что эта аномалия пространственно совпадает с одной из аномалий на поверхности, между ними имеется связь, т.е. на этой глубине произошла некоторая фиксация свинца, мигрировавшего вниз по профилю.
Коэффициенты радиальной дифференциации по отдельным разрезам (рис. 35а и 356) отражают общие тенденции характерные для дерново-подзолистых и агродерново-подзолистых почв, описанные выше.
Обследования почв полигона «Хрипань» (приложение) показали, что в определенных случаях для цинка, свинца и кадмия характерна фиксация не столько в поверхностном, сколько в подповерхностном (20-30 см) слое, соответствующем в данном случае нижней части пахотного горизонта (рис. 36). Поскольку в районе полигона «Хрипань» не отмечено функционирование каких-либо крупных источников загрязнения, оно может быть связано лишь с использованием этих почв в качестве сельскохозяйственных угодий и внесения загрязняющих веществ в процессе эксплуатации. Наиболее вероятный источник тяжелых металлов-загрязнителей в данном случае -использования осадков сточных вод в качестве удобрений (Голубев, 2006).
Кроме того, в нижележащем горизонте АВ отмечено резкое снижение содержания цинка, свинца и кадмия, что также подтверждает связь загрязнения почв с сельскохозяйственной деятельностью. При этом в незагрязненных целинных дерново-глеевых почвах (разрез 4-05) отмечен иной, более равномерный характер распределения этих элементов.
