Магнитная восприимчивость и эколого-геохимическая оценка почвенного покрова урбанизированных территорий восточной окраины русской равнины ( на примере г. перми )
На правах рукописи
ЛОБАНОВА Евгения Сергеевна
Магнитная восприимчивость и эколого-геохимическая оценка почвенного покрова
урбанизированных территорий восточной
окраины русской равнины
(на примере г. Перми)
Специальность 03.02.13 Почвоведение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Уфа 2013
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова»
Научный руководитель ВАСИЛЬЕВ Андрей Алексеевич
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент.
Официальные оппоненты: СУЛЕЙМАНОВ Руслан Римович
доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории почвоведения Учреждения Российской академии наук Институт биологии УНЦ РАН;
БУСОРГИНА Нина Александровна
кандидат сельскохозяйственных наук,
доцент кафедры лесоустройства и экологии ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА.
Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет».
Защита диссертации состоится «11» декабря 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.003.01 при ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет» по адресу: 450001, Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34.
Тел./факс + 7(347) 228-08-98
E-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный аграрный университет»
Автореферат разослан «8» ноября 2013 г. и размещен на сайте Министерства образования и науки Российской Федерации www.vak.ed.gov.ru и сайте ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ www.bsau.ru
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор сельскохозяйственных наук Р.Р. Гайфуллин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время элементное химическое загрязнение почвенного покрова урбанизированных территорий является одной из самых актуальных проблем для науки и общественности. Тяжелые металлы (ТМ) в почвах тесно ассоциированы с магнетитом, маггемитом и другими ферримагнетиками (ФМ), что позволяет использовать полевые и лабораторные методы измерения магнитной восприимчивости (MB) для диагностики загрязнения почв ТМ. Однако, в ряде случаев, из-за особенностей техногенной магнитно-геохимической специализации или геологических условий территории, между величиной MB и концентрацией ТМ в почвах прямая связь отсутствует или она обратная [Молостовский Э.А., 1996; Матасова Г.Г., 2006; Ширкин Л.А., 2012; Karimi R., 2011; Zawadzki J., 2012], что определяет актуальность изучения этой проблемы на региональном уровне.
Степень разработанности темы. Город Пермь - мегаполис с населением свыше 1 млн. человек, является крупным центром многоотраслевой промышленности и энергетики на востоке Европейской части России. Несмотря на исследования Е.А. Ворончихиной [1998], О.З. Ерёмченко [2005], М.Н. Власова [2008], М.А. Шишкина [2009], Р.В. Кайгородова [2010], А.В. Романовой [2012], И.С Копылова [2012] и др., гетерогенность магнитной фазы и элементного химического состава почв г. Перми на профильном и территориальном уровне охарактеризована недостаточно, а закономерности взаимосвязи между величиной MB и концентрацией ТМ в почвах города изучены не в полной мере. Сведения о MB почв города до настоящего времени не были систематизированы, картографический анализ магнитного состояния почвенного покрова города не был выполнен.
Цели и задачи. Цель исследований - изучить особенности МВ, элементного химического состава почв г. Перми и теоретически обосновать применение магнитометрии для эколого-геохимической оценки почвенного покрова урбанизированных территорий восточной окраины Русской равнины.
Задачи: 1) Изучить профильную неоднородность МВ почв. 2) Выполнить каппаметрическую съемку и составить картосхему МВ почвенного покрова г. Перми. 3) Изучить сезонную динамику МВ поверхностного слоя почв. 4) Определить и оценить элементный химический состав почв. 5) Методом мёссбауэровской спектроскопии исследовать железосодержащую фазу почв. 6) Установить индикационное значение MB для эколого-геохимической оценки почвенного покрова г. Перми.
Научная новизна работы. В работе решена актуальная научная задача, имеющая значение для почвоведения - определены закономерности взаимосвязи МВ и концентрации потенциально токсичных элементов в почвенном покрове мегаполиса на территории природно-техногенной геохимической и геомагнитной аномалии в пределах восточной окраины Русской равнины. Впервые показана фазовая и количественная гетерогенность минералов железа в почвах придорожных и внутриквартальных территорий г. Перми. Впервые установлено фоновое значение MB, охарактеризованы магнитные профили основных типов почв и сезонная динамика MB, составлена оценочная шкала MB и создана картосхема МВ почвенного покрова г. Перми. Впервые, для оценки содержания ТМ в городских почвах обосновано использование суммарного показателя загрязнения почв (ZFe), рассчитанного через нормирование концентрации ТМ и As по железу. Определена техногенность основных поллютантов в почвенном покрове города.
Теоретическая и практическая значимость работы. Выполнена оценка воздействия урбанизации на состояние почвенного покрова города с населением свыше 1 млн. человек, получены новые сведения о его магнитном и эколого-геохимическом состоянии. Базы данных состава и свойств почв, электронные картосхемы, выводы и практические предложения диссертационной работы могут быть использованы для совершенствования системы мониторинга, разработки природоохранных мероприятий. Результаты исследований нашли практическое применение в учебном процессе кафедры почвоведения ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА.
Методология и методы исследования. Теоретической основой исследований послужили идеи и принципы эколого-геохимической оценки почв, разработанные В.В. Глазовской [1988], Н.С. Касимовым [1990], В.Б. Ильиным [1991], В.В. Добровольским [1999], А.И. Перельманом [1999], Е.В. Алексеенко [2006], С.И. Колесниковым [2006], М.С. Паниным [2006], Ю.В. Робертус [2010], Е.Г. Язиковым [2010]. Были проанализированы и учтены результаты магнито-геохимических исследований Э.А. Молостовского [1996], В.П. Ковриго [2004], Ю.И. Кудрявцева [2004], М.А. Гладышевой [2007], А.А. Нульман [2007], О.А. Страдиной [2008], А.Н. Чащина [2010], М.В. Решетникова [2011], М.Н. Строгановой [2012], Л.А. Ширкина [2012], L. Bityukova [1999], X. Hu [2010], J. Zawadzki [2012] и других.
В работе использован комплекс методов, включающий полевые и лабораторные исследования: профильно-генетический, морфологический, каппаметрический, трансект, стационарных режимных наблюдений, статистический, картографический; физические, физико-химические, химические лабораторные методы анализа состава и свойств почв. Для описания экспериментальных данных использованы стандартные методы [Дмитриев Е.А., 2009] и пакет прикладных программ (Microsoft Excel, Statistica 8,0, MapInfo Professional 6,5 и Vertical Mapper).
Основные положения, выносимые на защиту. 1) Высокая профильная и территориальная гетерогенность магнитной восприимчивости почвенного покрова г. Перми определяется генетическими и антропогенными факторами дифференциации количества и состава магнитной фазы в почвах. 2) Ферримагнитная фаза почв г. Перми представлена нестехиометричным магнетитом/маггемитом с разной концентрацией дефектов его структуры. 3) Тяжелые металлы (Ni, Cr, Zn, Pb, Cu) – природно-техногенные поллютанты, а соединения Fe, As, Sr, Ga, S, Cl, Ca, Mg, P – антропогенные загрязнители почвенного покрова г. Перми. 4) Нестехиометричный магнетит/маггемит почв связан с геохимическими ассоциациями ТМ: Ni-Cr и Zn-Cu-Pb.
Степень достоверности результатов обеспечена использованием полевых инструментальных исследований в сочетании с применением современных методов для химического и минералогического анализа значительного объема образцов почв, проанализированных в аккредитованных лабораториях ГНУ Почвенного института им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, ОАО «МНИИЭКО ТЭК», Московского института стали и сплавов (ФГАОУ ВПО «НИТУ МИСиС») на автоматизированном аналитическом оборудовании и приборах, а также сходимостью аналитических и экспериментальных результатов диссертации с исследованиями других авторов. Все экспериментальные результаты исследований обработаны методами математической статистики.
Апробация результатов. Результаты исследований докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Энергия и знания молодых – аграрному сектору» в ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, г. Пермь, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012; Международной научно-практической конференции «Экология и научно-технический прогресс» в ФГБОУ ВПО Пермский ГТУ, г. Пермь, 2008; V Всероссийском съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева, г. Ростов-на-Дону, 2008; Международной научно-практической конференции «Инновации аграрной науки – предприятиям АПК» в ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, г. Пермь, 2011, 2012, 2013.
Личный вклад автора. Соискатель непосредственно участвовал в разработке программы и выборе объектов исследований, в закладке разрезов и отборе образцов, их пробподготовке и химико-аналитических работах, каппаметрической съемке почвенного покрова г. Перми. Автором выполнены статистическая обработка и интерпретация результатов.
Благодарю за руководство исследованиями, всестороннюю помощь и поддержку моих наставников: научного руководителя – канд. с.-х. наук А.А. Васильева и научного консультанта – д-ра с.-х. наук. Ю.Н. Водяницкого. Благодарю за сотрудничество в проведении исследований д-ра с.-х. наук А.Т. Савичева, д-ра геолого-минерал. наук В.В. Коровушкина, канд. биол. наук А.Н. Чащина, канд. биол. наук Е.В. Прокопович и студентов агрохимического факультета ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА Н.В. Трегубову, М.А. Кривощекову, А.Н. Силину.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, практических предложений, списка литературы из 270 источников (из них 50 на иностранных языках), 5 приложений. Диссертация изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 54 таблицы и 37 рисунков.
- ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ В ПОЧВАХ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ
Рассмотрены источники и эколого-геохимическая оценка содержания ТМ в почвах урбанизированных территорий. Дана характеристика особенностей МВ городских почв и рассмотрена ее взаимосвязь с аккумуляцией ТМ.
- ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И УСЛОВИЯ
ФОРМИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА Г. ПЕРМИ
Объекты и методы исследований. Объектом исследования являлся почвенный покров основных функциональных зон г. Перми. На территории структурных элементов функциональных зон города: бульвары и скверы «ПР», внутриквартальные территории «ПК», придорожные территории «ПД» и земли сельскохозяйственного значения «СХ» [Генеральный план города…, 2010], были заложены 10 разрезов, 20 полуям, 90 прикопок. Исследованы основные типы почв города: урбаноземы, урбо-дерново-подзолистые, агроземы, серогумусовые, агро-дерново-подзолистые и дерново-подзолистые почвы.
Морфогенетические признаки почв соответствуют их классификационному положению [Строганова М.Н., 1992; Классификация и диагностика…, 2004]. Поверхностные горизонты почв селитебно-транспортной части г. Перми характеризуются преимущественно нейтральной реакцией среды (pHH2O 6,8-7,3), высоким содержанием Сорг (6,3-13,7%) и высокой ЕКО (32-55 мг-экв./100 г).
Полевые методы. Магнитометрическая съемка осуществлялась по сетке квадратов 600 м, а в центре города шаг опробования составил 100 м. В каждом углу квадрата закладывалось по пять наблюдательных площадок площадью 1 м2. МВ придорожных почв изучена в трансектах. Площадки закладывались на расстоянии до 3, 3-5, 5-10 и более 10 м от проезжей части. Измерение ОМВ на каждой площадке проводилось каппаметром КТ – 6 с поверхности почвы в 10-кратной повторности [Гладышева М.А., 2007]. Всего за период 2006-2009 гг. было заложено более 2600 наблюдательных площадок, выполнено около 27 тыс. локальных измерений ОМВ. Фоновая величина ОМВ установлена в трансектах длиною 100 м на залежных и лесных дерново-подзолистых тяжелосуглинистых почвах на южной окраине г. Перми. В полнопрофильных разрезах (0-160 см) и полуямах (0-60 см) трансект измерение ОМВ проводилось непрерывно через каждые 6 см (диаметр измерительной части прибора) на трех стенках разреза в 4-кратной повторности на каждой глубине. Всего на условно фоновой территории выполнено около 2,6 тыс. локальных измерений ОМВ. Образцы почв для химических анализов отбирались из генетических горизонтов основных разрезов; смешанные образцы отбирались равномерно по территории города методом конверта с глубины 0-20 см [ГОСТ 17.4.3.01-83; МУ 2.1.7.730-99; СанПиН 2.1.7.1287-03, 2007].
Лабораторные методы. Были выполнены следующие анализы: физико-химические свойства и гранулометрический состав по стандартным методикам [ГОСТ 26213-91, ГОСТ 27800-93, ГОСТ 27821-88, ГОСТ 26212-91, ГОСТ 26483-85, ГОСТ 26207-91, ГОСТ 26205-91, ГОСТ 12536-79]; валовой химический состав – рентгенфлуоресцентным методом, Tefa-6111 и методом спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой, iCAP-6000; валовое содержание La, Ba и Ce – радиометрическим методом, Tefa-6111; подвижные формы ТМ и Fe в вытяжке ацетатно-аммонийного буфера (ААБ) при рН=4,8 – атомно-абсорбционным методом, AAS-3; удельная магнитная восприимчивость (УМВ) почв, Kappabrige KLY-2; мессбауэровская спектроскопия в режиме постоянных ускорений с источником 57Со в матрице хрома при комнатной температуре, Ms-1104 Em.
Расчеты. Оценка МВ и эколого-геохимического состояния почвенного покрова проведена по следующим показателям: стехиометричность (S) магнетита и концентрации дефектов структуры магнетита (С) по H. Topsoe [1974]; содержание магнетита в почве (мг/кг) по Ю.Н. Водяницкому [2010]; коэффициент магнитности (КМ) по А.Э. Молостовскому [1996]; коэффициент изменчивости (К) МВ материнской породы по А.Ф. Вадюниной [1972]; суммарный показатель загрязнения (Zc) по Ю.Е. Саету [1990]; техногенность профильная (Тп) и относительно фона (Тф) по S. Baron [2006]; коэффициент профильной дифференциации ТМ по А.И. Перельману [1999]. Нормирование содержания ТМ в почве по железу выполнено по Т.С. Папиной [2001]:
Кi = (Хпр / Feпр) / (Хкл / Feкл), (1)
где Кi – коэффициент обогащения ТМ, Хпр содержание ТМ в образце, Хкл – кларк ТМ для почв мира, Feпр – содержание железа в образце, Feкл – кларк для почв мира. Суммарный показатель загрязнения почв (ZFe) рассчитан через нормирование концентрации ТМ по железу:
ZFe= (Кi+…+Кn) - (n-1), (2)
где Кi – нормированная по железу концентрация элемента, n – количество элементов.
Оценка аккумуляции-рассеивания химических элементов была проведена по коэффициентам концентрации Кк, путем сравнения содержания элемента в изученном образце или среднеарифметического содержания в выборке образцов с рядом установленных показателей: Ккм – кларк почв мира [Виноградов А.П., 1957]; Кке – кларк почв Европы [Batista M.J., 2006]; Ккфр – региональный фон [Копылов И.С., 2011]; Ккуф – условный местный фон [Гилев В.Ю., 2007], Ккэт – содержание элементов в эталонных подзолистых почвах лесных ландшафтов Пермского края [Ворончихина Е.А., 2012], Ккреп – среднее содержание ТМ в почвах 15 реперных участков ФГУП ГЦАС Пермский [Состояние и охрана..., 2008], Ко - ПДК [СанПиН 2.1.7.1287-03, 2007]. Для валового содержания Cr было принято ПДК 100 мг/кг [Панин М.С., 2006; Водяницкий Ю.Н., 2008].
Дендрограммы кластер-анализа построены по методу Варда, мера расстояния – коэффициент Пирсона. Уровень значимости оценки результатов статистической обработки достоверен при Р=0,95 (*).
Условия формирования и загрязнения почвенного покрова г. Перми. Антропогенное воздействие изменило ретроспективно-естественную структуру почвенного покрова г. Перми [Шестаков И.Е., 2012], в которой преобладали дерново-подзолистые тяжелосуглинистые почвы [Коротаев Н.Я., 1962;. Вологжанина Т.В, 1982]. По данным О.З. Еремченко [2005], в районах многоэтажной застройки г. Перми 76% почвенного покрова заняты урбаноземами, 14% – экраноземами и 10% – реплантоземами.
Техногенное загрязнение почвенного покрова городов восточной окраины Русской равнины происходит на фоне повышенного природного содержания ФМ [Молостовский Э.А., 1998; Болотов А.А., 2000; Бусоргина Н.А., 2002; Обыденова Л.А., 2003; Ковриго В.П., 2004; Нургалиева Н.Г., 2006; Злобин А.А., 2012] и ряда ТМ [Кузнецов М.Ф., 1994; Москвина Н.В., 2004; Шихова Л.Н., 2005; Копылов И.С., 2011] в отложениях пермской геологической системы и почвообразующих породах региона. На территории Пермского Предуралья в структуре почвенного покрова выделяется 15 крупных геохимических аномалий. Город Пермь расположен в пределах Среднекамской геохимической аномальной зоны [Копылов И.С., 2011].
В атмосферу города ежегодно поступает около 130 тыс. тонн пылегазовых выбросов, в состав которых входит свыше 450 наименований загрязняющих веществ. Среди основных примесей атмосферного воздуха на территории г. Перми преобладают органические загрязняющие вещества, а также пыль, Fe, Cr6+, Ni, Pb [Состояние и охрана…, 2004-2010].
- МАГНИТНАЯ ВОСПРИИМЧИВОСТЬ ПОЧВЕННОГО
ПОКРОВА Г. ПЕРМИ
Закономерности профильного и территориального распределения магнитной восприимчивости. Фон. Магнитная восприимчивость фоновых почв была исследована по всей мощности вскрытых разрезов, так как в результате проведения строительно-планировочных работ в процессе формирования городских почв вовлекаются все генетические горизонты естественных почв и их материнские породы. В генеральной совокупности измерений МВ в профилях фоновых почв среднеарифметическое и медианное значения совпадают – 0,51±0,10*10-3 СИ (табл. 1).
Таблица 1 - Статистические параметры ОМВ (*10-3 СИ)
в профиле фоновых почв
| Глубина, см | n | M1±m | lim | V, % | Md | |
| Генеральная совокупность | ||||||
| 0-160 | 2580 | 0,51±0,10 | 0,13 | 0,10-1,26 | 26 | 0,51 |
Центильный интервал МВ «средняя» или «норма» в слое 0(2)-30 см (n=1020) составляет 0,43-0,62*10-3 СИ (табл. 3), среднеарифметические и медианные значения МВ в лесных и залежных почвах не различаются. Варьирование МВ среднее (V=25-29%). По совокупной оценке фоновая величина ОМВ составляет 0,50*10-3 СИ, что в 2-3 раза выше, чем фон ОМВ для почв г. Москвы и г. Владимира, расположенных в центральной части Русской равнины [Строганова М.Н., 2012; Ширкин Л.А., 2012]. Пороговое значение МВ для разделения высокомагнитных и низкомагнитных почв г. Перми 1,0* 10-3 СИ – величина двукратного превышения местного фона.
Профильное распределение. Дифференциация магнитного профиля фоновых почв свидетельствует о низкой магнитно-техногенной нагрузке на почвы естественных и агрогенных ландшафтов города, К на залежи и в лесу составляет 0,53-1,02*10-3 СИ, соответственно.
Магнитный профиль урбо-дерново-подзолистых почв и агрозема имеет четко выраженный аккумулятивный характер (рис. 1). Коэффициент К аномально высокий – 8 единиц.
Рисунок 1 - Магнитные профили почв г. Перми по данным каппаметрии
Магнитные профили урбаноземов отражают синлитогенный характер их формирования. Максимальные значения МВ могут быть приурочены к любой части их профиля. В целях оценки магнитной структуры профилей урбаноземов нами предлагается использовать показатель Ксв – средневзвешенное значение МВ, рассчитанное через нормирование отдельных горизонтов и их мощность. Для урбаноземов г. Перми величины Ксв составляют от 2,0 до 4,6 единиц. В ядре городского центра Ксв в профиле урбаноземов выше, чем в урбаноземах микрорайонов, прилегающих к центру города, так как периоды техногенного воздействия на почвы существенно отличаются по продолжительности.
Территориальное распределение. На 2636 наблюдательных площадках селитебно-транспортной части города средняя арифметическая величина ОМВ в 3,6 раза выше фона. Стандартное отклонение и коэффициент вариации очень высокие (табл. 2).
Таблица 2 - Статистические параметры ОМВ (*10-3 СИ) почв г. Перми
| n | M | ±m | lim | V, % | Mo | Md | |
| 2636 | 1,83 | 1,42 | 2,12 | 0,07-19,31 | 116 | 0,90 | 1,10 |
Статистические параметры ОМВ и высокие значения КМ свидетельствуют о значительной и крайне неоднородной магнитно-техногенной нагрузке на почвенный покров г. Перми.
Распределение ОМВ в почвенном покрове г. Перми не подчиняется нормальному гауссовому закону. Использование центильного анализа позволило создать объективную шкалу МВ почв г. Перми и оценить репрезентативность выборки образцов почв, подвергнутых химическому анализу (табл. 3). Репрезентативность выборки высокая, так как границы центильных интервалов оценочной шкалы и выборки близки.
Таблица 3 - Шкала магнитной восприимчивости почв г. Перми
| № гр. | Центиль, % | Оценка МВ | УМВ*10-8 м3/кг, n=122* | ОМВ*10-3 СИ n=122* | Шкала ОМВ n=2636 | Фон ОМВ n=1020 |
| 1 | < 5 | очень низкая | < 22 | < 0,22 | < 0,21 | <0,29 |
| 2 | 5-10 | низкая | 22-34 | 0,22-0,3 | 0,21-0,3 | 0,29-0,34 |
| 3 | 10-25 | ниже средней | 34-79 | 0,3-0,6 | 0,3-0,57 | 0,34-0,43 |
| 4 | 25-75 | средняя «норма» | 79-239 | 0,6-3,1 | 0,57-2,1 | 0,43-0,62 |
| 5 | 75-90 | выше средней | 239-447 | 3,1-5,4 | 2,1-4,5 | 0,62-0,70 |
| 6 | 90-95 | высокая | 447-568 | 5,4-7,4 | 4,5-6,3 | 0,70-0,75 |
| 7 | > 95 | очень высокая | >568 | >7,4 | > 6,3 | >0,75 |
* - центильные интервалы МВ в образцах почв, подвергнутых химическому анализу
В большей мере ферримагнетики аккумулируются в почвах придорожных территорий, M±m=3,9±3,7*10-3 СИ, что в три раза выше, чем в почвах внутриквартальных и рекреационных территорий, где среднеарифметические значения ОМВ составляют 1,3±1,3*10-3 СИ и 1,2±0,9*10-3 СИ, соответственно. Внутри функциональных зон МВ почв также неоднородна и зависит от уровня техногенной нагрузки. Так, средние медианные значения ОМВ на 0,8*10-3 СИ выше в почвах на улицах с интенсивным движением автотранспорта (рис. 2). ОМВ достоверно выше в почвах на расстоянии до 3 м, чем на расстоянии 5 м и 10 м от проезжей части.
А В
Рисунок 2 - Статистические параметры ОМВ почв придорожных территорий улиц с интенсивным (А) и умеренным (В) движением автотранспорта
Картографический анализ территориального распределения МВ показал, что почвы с «очень высокой» ОМВ в основном сформировались на территориях, прилегающих к цехам ОАО «Мотовилихинские заводы». Высокая ОМВ почв характерна и для центра города, где 40-45% площади почвенного покрова характеризуются МВ в пределах центильных интервалов от «выше средней» до «очень высокая». Ареалы почв с «очень высокими» значениями ОМВ соотносятся с перекрестками на улицах: Попова, Петропавловская, Ленина, Куйбышева, Революции, Пушкина, Екатерининская и других, где движение транспорта интенсивное (рис. 3).
Почвы города с «очень низкой» и «низкой» ОМВ сформировались в пределах природных ландшафтов на первой и второй надпойменных террасах р. Камы, сложенных легкими по гранулометрическому составу породами.
Динамика объемной магнитной восприимчивости почв. Величина МВ отражает многолетний характер загрязнения почв ФМ. За три года наблюдений на стационарных площадках в разных функциональных зонах города величина ОМВ оставалась практически на одном уровне (рис. 4).
Наблюдается тенденция увеличения ОМВ в весенний период, что отражает аккумуляцию ФМ в снежном покрове. Ранее было установлено, что за двадцатилетний период наблюдений, МВ городских почв Предуралья достоверно увеличилась [Страдина О.А., 2008].
Рисунок 3 - Картосхема объемной магнитной восприимчивости
почвенного покрова г. Перми, М 1:1750, шаг опробования 600 м
 А |  В |
Рисунок 4 - Динамика ОМВ ( *10-3 СИ) в разномагнитных почвах
г. Перми: А – низкомагнитные, В – высокомагнитные
- ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВЕННОГО
ПОКРОВА Г. ПЕРМИ
Эколого-геохимическая оценка почвенного покрова рассматривается в работе как анализ содержания, распределения и взаимосвязи химических элементов в почвах на профильном и территориальном уровнях.
Макроэлементы, сера и хлор. Профильное распределение. В урбо-дерново-подзолистых почвах наиболее четко выражена аккумуляция Fe, Ca, Mg в поверхностных горизонтах. Содержание Fe выше на 0,6-1,4% по сравнению с подповерхностными горизонтами, что свидетельствует о техногенном ожелезнении городских почв. Распределение S и Cl по профилю также аккумулятивное, и в горизонтах AYur и U содержание этих элементов превышает кларк, соответственно, до 1,5-5 раз. В урбаноземах ядра центра города концентрации P2O5, SO3, Cl превышают кларк соответственно в 7-12, 9-16 и 5-9 раз. Повышенное содержание S в почвах г. Перми и ее аккумулятивный характер распределения являются следствием загрязнения атмосферы города сернистым ангидридом, минеральной пылью [Состояние и охрана…, 2010], использованием торфа в ландшафтном строительстве.
Территориальное распределение. В почвах придорожных территорий (roadside soils) содержание Fe, Ca, Mg, S достоверно выше, чем в почвах рекреационных и внутриквартальных территорий. «Норма» содержания Сa, Mg, Cl, S, P выше кларка для почв Европы и почв мира (табл. 4).
Таблица 4 - Центильные интервалы концентрации (%) макроэлементов,
серы и хлора в поверхностных горизонтах почв г. Перми, n=122
| Хим. эл-т | Кларк почв Европы | Номер группы, градации центильных интервалов и концентрация элементов | ||||||
| 1 Очень низкая <5 % | 2 Низкая 5-10 % | 3 Ниже среднего 10-25 % | 4 Среднее «норма» 25-75 % | 5 Выше среднего 75-90 % | 6 Высокая 90-95 % | 7 Очень высокая >95 % | ||
| SiO2 | 67,7 | <40,4 | 40,4-44,3 | 44,3-52,2 | 52,2-68,1 | 68,1-71,5 | 71,5-75,3 | >75,3 |
| Al2O3 | 11,0 | <3,75 | 3,75-4,03 | 4,03-5,23 | 5,23-8,72 | 8,72-11,2 | 11,2-12,3 | >12,3 |
| Fe2O3 | 3,51 | <2,19 | 2,19-2,82 | 2,82-3,22 | 3,22-4,57 | 4,57-5,12 | 5,12-5,63 | >5,63 |
| TiO2 | 0,572 | <0,23 | 0,23-0,27 | 0,27-0,39 | 0,39-0,65 | 0,65-0,84 | 0,84-1,2 | >1,2 |
| CaO | 0,922 | <0,31 | 0,31-1,44 | 1,44-2,17 | 2,17-5,22 | 5,22-7,16 | 7,16-8,31 | >8,31 |
| MgO | 0,77 | <0,49 | 0,49-0,93 | 0,93-1,22 | 1,22-3,19 | 3,19-5,84 | 5,84-8,83 | >8,83 |
| SO3 | 0,06 | <0,11 | 0,11-0,17 | 0,17-0,27 | 0,27-0,55 | 0,55-0,86 | 0,86-0,96 | >0,96 |
| P2O5 | 0,128 | <0,06 | 0,06-0,1 | 0,1-0,16 | 0,16-0,51 | 0,51-0,84 | 0,84-1,0 | >1,0 |
| K2O | 1,92 | <0,08 | 0,08-0,55 | 0,55-0,87 | 0,87-1,53 | 1,53-1,86 | 1,86-2,08 | >2,08 |
| Cl | 0,009 | <0,01 | 0,01-0,013 | 0,013-0,024 | 0,024-0,042 | 0,042-0,057 | 0,057-0,079 | >0,079 |
Взаимосвязь. В поверхностных горизонтах почв города выделяется четыре группы геохимических ассоциаций с тесной связью элементов. Кластер SiO2-Al2O3-K2O характеризует химический состав глинистых минералов, гидрослюд, полевых шпатов. Кластер Fe2O3-MgO отражает их концентрацию в составе магниевых ферритов и хлоритов. Одновременное накопление Mn и Ti в торфо-песчаных компонентах горизонтов U характеризует кластер MnO-TiО2 Закрепление анионов в составе солей кальция антигололедных смесей отражает кластер СaO-P2O5-SO3-Cl.
Тяжелые металлы и мышьяк. Профильное распределение. Коэффициенты профильной дифференциации (Кд) для Zn, As, Pb, Ni, Cu в основном больше единицы. Так, в урбо-дерново-подзолистой почве Кд Pb достигает 45 единиц, Cu – 6,2, в агроземе Кд Zn – 11,5 единиц; а урбаноземе мелком Кд As и Ni 7,9 и 3,3, соответственно. В урбаноземах профильное распределение ТМ более сложное, так как они одновременно подвергаются аэральному и вейстогенному загрязнению (рис. 5).
Рисунок 5 - Профильное распределение ТМ и As в почвах г. Перми.
Ккрф - концентрация элементов относительно регионального фона
В урбо-дерново-подзолистых почвах и агроземах Zn, Pb, Ni, Cu, As аккумулируются в поверхностных горизонтах AY и AYur, где их содержание выше фона в 1,2-6,5 раза и выше ПДК (рис. 5). Урбаноземы загрязнены Zn, Pb, Ni, Cu, As по всему профилю.
Профильная техногенность (Тп) ТМ и As в почвах Перми образует ряд: Pb > Zn = Си > Ni > Мп > Cr > Ga > Sr = As = Y = Zr = Rb = Ва= La = Ce [Водяницкий Ю.Н., Васильев А.А., Лобанова Е.С., 2009] (табл. 5).
Таблица 5 - Профильная техногенность (Тп) ТМ и As в почвах г. Перми, %
| Разрез | Zn | As | Pb | Cr | Ni | Cu | Mn | Sr | Ва | Ga | Rb | Y | Zr | La | Ce |
| Разр. 1. Урбо-дерново-подзол. | 92 | н | 99 | 52 | 77 | 91 | н | н | - | н | н | н | н | - | - |
| Разр. 2. Урбо-дерново-подзол. | 55 | н | 64 | н | 62 | 57 | н | н | н | н | н | н | н | н | н |
| Разр. 3. Агрозем | 90 | н | 88 | 63 | н | 68 | 78 | н | н | 55 | н | н | н | н | н |
Н – низкая и недостоверная техногенность, Тп <50%; «-» данные отсутствуют
Территориальное распределение. Валовое содержание Zn, Pb, As, Cr, Ni и Cu выше в поверхностных горизонтах почв придорожных территорий, чем в почвах бульваров, скверов и внутриквартальных территорий.
Очень высокая территориальная неоднородность распределения характерна для Ni, Cr, Cu, Pb (V > 100%) (табл. 6). Средние арифметические и медианные значения концентрации Zn, As, Pb, Cr, Ni, Cu выше ПДК.
Таблица 6 - Статистические показатели содержания ТМ
и As в почвах г. Перми, n=122
| M | lim | V, % | Md | Кларк почв мира | Кларк почв Европы | Фон рег | Фон этал. рег | Реп. уч | ||
| Zn | 141,7 | 84,1 | 19-528 | 59 | 114 | 50 | 52 | 70 | 63 | 45,6 |
| As | 8,1 | 4,3 | 4-24 | 52 | 7 | 5 | 7,1 | 0 | 1,8 | 0,37 |
| Pb | 59,4 | 83,8 | 4-630 | 141 | 36 | 10 | 22,6 | 22 | 21,5 | 25,9 |
| Cr | 162,7 | 352,9 | 7-3777 | 217 | 116 | 70 | 60 | 280 | 90 | - |
| Ni | 131,0 | 185,6 | 10-1907 | 142 | 86 | 40 | 18 | 35 | 18 | - |
| Cu | 99,4 | 172,3 | 10-1309 | 173 | 69 | 20 | 13 | 50 | 33 | 14,7 |
| Mn | 729,6 | 412,4 | 139-3874 | 57 | 697 | 850 | 504 | 900 | 273 | - |
| Sr | 192,1 | 41,6 | 70-320 | 22 | 194 | 300 | 89 | 70 | 138 | - |
| Ga | 9,8 | 4,5 | 4-25 | 46 | 9 | 30 | 13,5 | 13 | - | - |
| Rb | 34,9 | 12,7 | 11-65 | 37 | 34 | 100 | 80 | - | 53 | - |
| Y | 15,1 | 5,3 | 5-31 | 35 | 14 | 40 | 21 | 20 | 10 | - |
| Zr | 144,2 | 68,2 | 12-341 | 47 | 123 | 300 | 231 | 350 | 143 | - |
| Nb | 8,0 | 3,0 | 4-16 | 37 | 7 | - | 9,7 | 14 | - | - |
| La* | 20 | 6 | 12-31 | 28 | 18 | 40 | 23,5 | - | - | - |
| Ba* | 401 | 86 | 292-627 | 21 | 377 | 500 | 345 | 300 | 360 | - |
| Ce* | 30 | 11 | 18-51 | 37 | 27 | 50 | 48,2 | - | 39 | - |
* - n=30, «-» данные отсутствуют
ТМ 1-3 класса опасности во всех геохимических рядах имеют коэффициенты концентрации (Кк) более единицы (табл. 7). Наиболее высокие Кк и Ко в рядах характерны для Ni, Pb, Cu, As, Zn и Cr, которые следует рассматривать как приоритетные поллютанты. Региональная фоновая концентрация для Cr очень высокая, и по установленным Ккфр этот элемент относится к рассеянным. В загрязнении почвенного покрова г. Перми Rb, Y, Zr, Nb, La, Ce не участвуют. Их содержание ниже кларка и фона, а техногенность меньше 50%.
Таблица 7 - Геохимические ряды аккумуляции-рассеивания ТМ и As
| Показ. | Значения коэффициентов Кк для отдельных элементов |
| Ккм | Pb5,9 > Cu5,0 > Ni3,3 > Zn2,8 > Cr2,3 > As1,6 > Mn0,9 > Ba0,8 > Sr0,6 = Ce0,6> Zr0,5 = La0,5 > Rb0,4 = Y0,4 > Ga0,3 |
| Кке | Cu7,6 > Ni7,3 > Zn2,7 = Cr2,7 > Pb2,6 > Sr2,2 > Ba1,6 > Mn1,4 > As1,1 > La0,85 > Nb0,8 > Ga0,7 = Y0,7 > Zr0,6 = Ce0,6 > Rb0,4 |
| Ккфр | Ni3,7 > Pb2,7 = Sr2,7 > Zn2,0 = Cu2,0 > Ba1,3 > Mn0,8 = Ga0,8 = Y0,8 > Cr0,6 = Nb0,6 > Zr0,4 |
| Ккэт | Ni7,3>As4,5>Cu3,0>Pb2,8 > Mn2,7 > Zn2,4 > Cr1,8 > Y1,5 > Sr1,4 > Ba1,1 >Zr1,0 > Ce0,8 > Rb0,7 |
| Ккреп | As21,9 > Cu6,8 > Zn3,1 > Pb2,3 |
| Ко | As4,1 > Pb1,9 > Cu1,8 > Cr1,6 > Ni1,5 > Zn1,3 > Mn0,5 |
Верхние границы центильного интервала «норма» и интервалы в группах 5, 6, 7 для основных поллютантов почв города характеризуются превышением ПДК (табл. 8). Почвы г. Перми существенно загрязнены As. По сравнению с почвами сельскохозяйственных угодий Пермского края средняя концентрация As в почвенном покрове Перми более чем в 20 раз выше. Региональное значение фоновой концентрации As в гумусовых горизонтах (0-10 см) для выборки n=1730 равно нулю [Копылов И.С., 2011].
Таблица 8 - Градации центильных интервалов концентрации (мг/кг)
поллютантов почв г. Перми, n=122
| Хим. элемент | Номер группы, градации центильных интервалов и концентрации элементов | ||||||
| 1 Очень низкая <5 % | 2 Низкая 5-10 % | 3 Ниже среднего 10-25 % | 4 Среднее «норма» 25-75 % | 5 Выше среднего 75-90 % | 6 Высокая 90-95 % | 7 Очень высокая >95 % | |
| Zn | <52 | 52-65 | 65-84 | 84-180 | 180-264 | 264-295 | > 295 |
| As | <4 | 4-4,5 | 4,5-5 | 5-9 | 9-14 | 14-19 | >19 |
| Pb | < 10 | 10-13 | 13-20 | 20-65 | 65-104,5 | 104,5-133 | >133 |
| Cr | < 21 | 21-41 | 41-68 | 68-164 | 164-212 | 212-315 | >315 |
| Ni | < 25 | 25-35 | 35-51 | 51-151 | 151-238 | 238-308 | >308 |
| Cu | < 23 | 23-29 | 29-43 | 43-86 | 86-141 | 141-186 | >186 |
На картосхемах содержания поллютантов в почвах города контуры геохимических аномалий в основном совпадают с контурами магнитных аномалий.
Содержание подвижных форм Ni, Cr, Cu значительно выше в почвах придорожных территорий, где их концентрация превышает ПДК по Cr и Cu – 1,5-4,2, Ni – 2,3-5,6 раза.
Взаимосвязь элементов. Высокие и средние достоверные коэффициенты корреляции по Спирмену выявлены в парах сравнения основных поллютантов почв г. Перми: Ni–Cr (r=0,9), Pb-Cu (r=0,52), Zn-Pb (r=0,49), Zn-Cu (r=0,48), Ni-Cu (r=0,35). Кластерный анализ подтвердил эти взаимосвязи и показал, что для поверхностных горизонтов почв г. Перми характерны следующие геохимические ассоциации: Cr-Ni, Zn-Pb-Cu, Zr-Y-Rb. Кластер Ni-Cr наиболее тесно ассоциирован с кластером As-Ga-Sr-Nb, который содержит техногенные для почв г. Перми элементы (As, Ga, Sr).
- ИНДИКАЦИОННОЕ ЗНАЧЕНИЕ МАГНИТНОЙ
ВОСПРИИМЧИВОСТИ ПОЧВ
Состав и содержание минералов железа. Мессбауэровская спектроскопия образцов урбаноземов придорожных территорий улиц Героев Хасана, 12 (обр. 2), Сибирской, 37 (обр. 3), Куйбышева, 105 (обр. 4), и внутридворовых территорий по улицам Лодыгина, 33 (обр. 1), Екатерининская, 133 (обр. 5), Куйбышева, 105 (обр. 6) показала, что состав минералов железа в почвах разнообразен (табл. 9). Основная часть железа в низкомагнитных почвах приходится на тонкодисперсные гидроксиды железа, которые обладают высокой поглотительной способностью по отношению к ТМ, но МВ этой группы минералов низкая 36-70*10-8 м3/кг [Dearing J., 1999]. Основной вклад в МВ почв вносят магнитоупорядоченные оксиды железа: гематит, магнетит/маггемит. В высокомагнитных почвах содержание магнетита в среднем в пять раз выше, чем в низкомагнитных. МВ стехиометричного магнетита, в зависимости от его дисперсности, колеблется от 39000*10-8 м3/кг до 100000*10-8 м3/кг [Dearing J., 1999].
Таблица 9 - Мессбауэровские параметры железосодержащей фазы низкомагнитной (обр. 5) и высокомагнитной (обр. 3) почв г. Перми
| № обр | ОМВ/ УМВ | Компонента спектра | , мм/с | , мм/с | Fe57 Нэф, Кэ | RI, % | Fe фаз, % | Содержание фазы, % | Фаза |
| 5 | 1,2*10-3 СИ/ 76,6* 10-8 м3/ кг | С1(Fe3+) | 0,41 | -0,26 | 509 | 7,3 | 0,16 | 0,23 | Гематит |
| С2(Fe3+) А | 0,28 | -0,04 | 489 | 12,7 | 0,28 | 0,52 | Магнетит | ||
| C3(Fe3+,Fe2+) В | 0,63 | 0,06 | 475 | 4,4 | 0,10 | ||||
| D1(Fe2+) | 1,12 | 2,69 | 0 | 12,8 | 0,29 | - | Хлорит Fe2+ | ||
| D2(Fe3+) | 0,37 | 0,63 | 0 | 62,8 | 1,41 | - | Т/д гидроксиды Fe | ||
| Гидрослюда | |||||||||
| Хлорит Fe3+ | |||||||||
| 3 | 11*10-3 СИ/ 1065* 10-8 м3/ кг | С1(Fe3+) | 0,38 | -0,21 | 517 | 2,4 | 0,09 | 0,13 | Гематит |
| С2(Fe3+) А | 0,26 | -0,03 | 487 | 14,1 | 0,56 | 2,02 | Магнетит | ||
| C3(Fe3+,Fe2+) В | 0,68 | 0,01 | 458 | 22,9 | 0,90 | ||||
| D1(Fe2+) | 1,26 | 2,37 | 0 | 23,7 | 0,93 | - | Пироксен | ||
| D2(Fe3+) | 0,26 | 0,86 | 0 | 34,4 | 1,36 | - | Слюда с Fe3+, Fe4+ | ||
| D3(Fe2+) | 1,01 | 0,74 | 0 | 2,5 | 0,10 | - | Ильменит |
– изоморфный сдвиг тонкодисперсных гидроксидов железа; – квадрупольное расщепление; Fe57 Нэф – магнитные поля на ядрах; RI – площадь компонент; «-» означает не определяли
Магнетит в почвах г. Перми нестехиометричен. В большей степени нестехиометричность «S» и концентрация дефектов структуры «C» выражены в низкомагнитных почвах внутриквартальных территорий (рис. 6). При высокой степени отклонения от стехиометрии структуры магнетита его МВ снижается до 14000*10-8 м3/кг. Увеличение нестехиометричности происходит в результате окисления ионов Fe+2 в подрешетке В [Чибирова Ф.Х., 2008], что приводит к образованию твердого раствора магнетит/маггемит. В магнетите высокомагнитных урбаноземов придорожных территорий степень отклонения от стехиометрии низкая, а его МВ достигает 45000*10-8 м3/кг.
Таким образом, дифференциация МВ магнетита/маггемита в почвах г. Перми связана не только и не столько с разнообразием его техногенных источников [Водяницкий Ю.Н., 2012], но прежде всего с генезисом городских почв.
Магнитная восприимчивость почв как индикатор их элементного химического состава. Индикационная роль МВ была выявлена по двум критериям: первый критерий – эколого-геохимическая оценка разномагнитных почв, второй критерий – анализ взаимосвязи МВ и концентрации поллютантов.
Первый критерий. Дисперсионный анализ и оценка разницы концентрации поллютантов по t-критерию Стьюдента выявили достоверно более высокое содержание Ni, Cu, Pb, Cr, Zn и As в высокомагнитных почвах.
Центильный анализ показал, что верхняя и нижняя границы «нормы» содержания для всех поллютантов в высокомагнитных почвах выше и во всем диапазоне «нормы» превышают ПДК (табл. 10).
Таблица 10 – «Норма» содержания поллютантов в низкомагнитных (А) и высокомагнитных (В) почвах, мг/кг
| ОМВ*10-3 СИ | n | Центиль | Zn | As | Pb | Cr | Ni | Cu | |
| А (< 1,0) | 50 | 25 | 65 | 5 | 17 | 48 | 35 | 31 | |
| 75 | 124 | 9 | 52 | 137 | 65 | 69 | |||
| В (>1,0) | 72 | 25 | 102 | 5 | 23 | 103 | 93 | 59 | |
| 75 | 205 | 12 | 76 | 182 | 204 | 109 | |||
| ПДК | 100 | 2 | 32 | 100 | 85 | 55 | |||
В низкомагнитных почвах только верхние границы «нормы» концентрации Zn, Pb, Cu, Cr превышают ПДК. Концентрация As в интервалах «нормы» в разномагнитных почвах превышает ПДК, но существенно не различается. Суммарные показатели загрязнения (Ковал, Коподв, Zc Сает, ZFe) достоверно выше в высокомагнитных почвах.
Техногенность (Тф) Ni, Cu, Zn и As в высокомагнитных почвах выше (табл. 11). В низкомагнитных почвах Cr не является техногенным элементом (Тф<50%).
Таблица 11 - Техногенность относительно фона (Тф) ТМ и As в низкомагнитных (А) и высокомагнитных (В) почвах г. Перми
| Уровень МВ | Значение техногенности для химических элементов |
| А | As85 > Sr79 > Pb69 > Zn65 > Ni64 > Cu63 > Ga59 > Mn56 > Rb55 >Y54 |
| В | As86>Ni85>Sr80>Zn77>Cu74>Pb72 = Cr72 > Mn63 > Ga61 > Rb55 > Y55 |
Взаимосвязь. Цинк в почвах ассоциирован с Cu, Pb и As. В геохимических парах Zn-Cu, Zn-Pb, Cu-Pb тесные связи (r=0,5-0,6) проявляются в высокомагнитных почвах, а в низкомагнитных связь в этих парах ТМ также достоверна, но на более низком уровне (рис. 7).
Рисунок 7 - Коэффициенты корреляции по Спирмену концентрации ТМ, As, Fe в низкомагнитных (А) и высокомагнитных (В) почвах
Железо образует тесные геохимические парные ассоциации с Ni, Cr, Cu, As. В высокомагнитных почвах наиболее высокий r по Спирмену (>0,9) в парах элементов группы железа: Fe-Cr, Fe-Ni, Cr-Ni.
Тесная связь Fe и ТМ позволяет провести нормирование концентрации ТМ (табл. 12). Нормирование ТМ по Fe обычно используют для эколого-геохимической оценки донных отложений [Папина Т.С., 2001]. Для городских почв нормирование по Fe нами проведено впервые. Высокие нормированные концентрации характерны для Pb и Cu. Региональные фоновые концентрации ТМ в почвах Предуралья выше кларка, что занижает оценку степени опасности по показателю Zc (табл. 12). Более объективно загрязнение почв отражает показатель ZFe. Для оценки суммарного показателя загрязнения ZFe предлагается использовать существующую шкалу Саета и соответствующие ей категории опасности. Показатель ZFe позволяет достоверно различить низкомагнитные и высокомагнитные почвы. В почвах г. Перми ZFe изменяется в интервалах 16-32 и 32-128 и более, то есть характеризует умеренно опасную и опасную степень загрязнения почв.
Таблица 12 - Коэффициенты концентрации ТМ и As, нормированные по железу и суммарные показатели загрязнения (ZFe и Zc) в почвах г. Перми
| № обр. | ОМВ* 10--3 СИ | Zn/Fe | As/Fe | Pb/Fe | Cr/Fe | Ni/Fe | Cu/Fe | Sr/Fe | Ga/Fe | ZFe | Zc |
| А. Низкомагнитные | |||||||||||
| 1 | 0,5 | 3,0 | 2,1 | 8,7 | 3,6 | 2,6 | 6,5 | 1,0 | 0,4 | 22 | 11 |
| 2 | 0,5 | 4,5 | 2,1 | 11,6 | 2,9 | 2,2 | 5,9 | 1,4 | 0,5 | 25 | 8 |
| 3 | 0,8 | 3,0 | 1,8 | 6,0 | 3,0 | 2,7 | 6,0 | 1,0 | 0,5 | 18 | 6 |
| В. Высокомагнитные | |||||||||||
| 4 | 9,7 | 4,3 | н.п.о | 5,8 | 4,1 | 8,7 | 13,0 | 0,9 | 0,3 | 32 | 13 |
| 5 | 2,5 | 6,2 | 2,1 | 20,0 | 2,1 | 3,9 | 4,3 | 1,3 | 0,7 | 34 | 12 |
| 6 | 3,7 | 7,8 | 3,1 | 54,2 | 1,9 | 4,5 | 69,3 | 0,6 | 0,8 | 136 | 63 |
| Отношение кларков, *103 | |||||||||||
| 1,3 | 1,0 | 2,0 | 1,8 | 1,0 | 5,0 | 0,8 | 0,1 | ||||
Место отбора образцов: 1 - бульвар по ул. Сибирской; 2 - сквер «Театральный»; 3 - Сад имени 250-летия г. Перми; 4 - ул. П. Осипенко, 56; 5- Шоссе Космонавтов, 108; 6 - ул. Уральская, 78
Второй критерий. Содержание Ni, Cr, Cu, As и Mn в почвах города достоверно связано с величиной МВ (табл. 13). В высокомагнитных почвах r по Спирмену выше для Ni, Cr, As и Mn, но ниже для Cu.
Таблица 13 - Коэффициенты корреляции между величиной ОМВ и
концентрацией ТМ в почвах г. Перми, n=122
| Zn | As | Pb | Cr | Ni | Cu | Mn | Sr | Ga | Rb | Y | Zr | Ni+Cr+Zn+ Pb+Cu |
| 0,23 | 0,38* | 0 | 0,49* | 0,67* | 0,40* | 0,32* | -0,04 | 0,02 | -0,35 | -0,09 | -0,1 | 0,59* |
Величина ОМВ и концентрация подвижных форм Ni, Cr, Cu также достоверно связаны, r по Спирмену составляет 0,84; 0,78; 0,43, соответственно.
Кластерный анализ подтвердил, что наиболее высокий уровень сходства с величиной МВ имеет Ni, а затем Cr. Для кластера Zn-Pb-Cu уровень сходства с МВ значительно ниже (рис. 8). В высокомагнитных почвах уровень сходства МВ и концентраций поллютантов выше.
Регрессионный анализ зависимости концентрации ТМ от величины УМВ был проведен по нормированным к фону значениям, что позволяет исключить влияние региональных особенностей литогенного фактора и учитывать только техногенный фактор загрязнения городских почв ТМ (рис. 9, табл. 14). Для Ni и Cr уравнения регрессии характеризуются достоверным индексом корреляции, с высоко поднятой от оси Х линией тренда.
Рисунок 9 - Связь, нормированных к фону, концентраций Ni, Cr и
УМВ в почвах г. Перми
Таблица 14 - Корреляционные зависимости между концентрацией ТМ и УМВ в почвах г. Перми, n=122
| Элемент | Форма корреляционной связи, формула | R | Элемент | Форма корреляционной связи, формула | R |
| Ni | y= 1,6897x – 0,0086 | 0,6553 | Zn | y = 1,8961x + 2,1473 | 0,1063 |
| Сr | y = 3,9988x + 3,6471 | 0,5185 | Pb | y = 0,2505х+4,9045 | 0,0312 |
| Cu | y = 0,7x + 4,5836 | 0,1189 | Zc | y = 0,442х+1,5443 | 0,4274 |
Линии тренда для Zn и Cu более приближены к оси Х, чем для Ni и Cr. Для Zn и Cu регрессионная зависимость проявляется в большей степени в низкомагнитных почвах, а для Ni и Cr – в высокомагнитных.
При оценке суммарного загрязнения почв ТМ по величине ОМВ установлены средняя и высокая достоверная связь МВ с суммарными показателями загрязнения – Zc, Ковал, Коподв.
Высокая и достоверная связь МВ и концентрации Ni позволила создать детальную картосхему содержания Ni в почвах г. Перми. Для этого по уравнению регрессии был проведен расчет содержания Ni в точках измерения МВ. Объем исходной информации для построения картосхемы составил 2600 значений (рис. 10).
Рисунок 10 - Картосхема концентрации Ni в почвах г. Перми, М 1 : 1750
Уровень загрязнения Ni части почвенного покрова г. Перми опасный [Водяницкий Ю.Н, Васильев А.А., Лобанова Е.С., 2009], и это представляет серьезную угрозу для жителей города, так как почвы участвуют в формировании химического состава приземного слоя воздуха [Трошина Е.Н., 2008; Боев В.М., 2008]. Так, по данным Т.П. Голдыревой [2005], в период с 1960 по 2002 гг. в щитовидной железе жителей г. Перми произошло увеличение содержания Ni в 56 раз. Таким образом, измерение величины МВ имеет высокое практическое значение для диагностики загрязнения почв города ТМ.
Заключение
1. В результате сочетания высокой антропогенной нагрузки и геогенных условий восточной окраины Русской равнины на территории г. Перми сформировалась почвенная природно-техногенная магнитная аномалия.
2. Основной компонент ферримагнитной фазы почв г. Перми – нестехиометричный магнетит/маггемит. Степень нестехиометричности магнетита/маггемита зависит от генезиса городских почв. Мартитизация магнетита сопровождается снижением его МВ.
3. Ландшафтно-функциональная и техногенная неоднородность распределения ферримагнитной фазы в почвенном покрове г. Перми является причиной формирования ареалов городских почв с разной степенью загрязнения ТМ и ФМ. Максимальная концентрация ТМ и ФМ происходит в придорожных почвах улиц города с интенсивным движением автотранспорта.
4. В результате техногенного загрязнения концентрация Ca, Mg, S, Cl, P в почвах города значительно выше кларка и фона. Магний тесно ассоциирован с железосодержащей фазой почвы.
5. Техногенность Zn, Pb, Cr, Ni, Cu, Ga, As и Sr в почвах города высокая и возрастает с увеличением МВ почв.
6. Уровень загрязнения Zn, Pb, Cr, Ni, Cu и As части почвенного покрова г. Перми (более 25% площади) опасный как по валовому содержанию ТМ, так и по содержанию подвижных форм Cr, Ni Pb, Cu. В высокомагнитных почвах уровень загрязнения выше, чем в низкомагнитных.
7. Суммарный показатель загрязнения (ZFe) целесообразно использовать в качестве критерия эколого-геохимической оценки городских почв Предуралья.
8. Экспресс-методы измерения МВ позволяют достоверно определить в почвах г. Перми концентрацию Ni, Cr, содержание их подвижных форм и суммарное валовое содержание ТМ в составе техногенно-геохимической ассоциации элементов - Ni+Cr+Zn+Pb+Cu.
Практические предложения
1. Для исключения влияния геогенного фактора оценку концентрации ТМ по величине МВ почв урбанизированных территорий восточной окраины Русской равнины необходимо проводить по их значениям, нормированным относительно фона.
2. По кратности превышения местного фона МВ [ФОН м] рекомендуется выделять на уровне вида слабомагнитные (< 2 ФОН м) и сильномагнитные (>2 ФОН м) городские почвы. Сильномагнитные почвы следует диагностировать как химически загрязнённые.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
- Водяницкий, Ю.Н. Содержание тяжелых металлов в почвах г. Перми / Ю.Н. Водяницкий, А.А. Васильев, Е.С. Лобанова // Доклады РАСХ. – 2008. – № 4. – С. 37-40.
- Водяницкий, Ю.Н. Загрязнение тяжелыми металлами и металлоидами почв г. Пермь / Ю.Н. Водяницкий, А.А. Васильев, Е.С. Лобанова // Агрохимия. – 2009. – № 4. – С. 60-68.
- Водяницкий, Ю.Н. Содержание тяжелых щелочноземельных (Sr, Ba) и редкоземельных (Y, La, Ce) металлов в промышленно загрязненных почвах / Ю.Н. Водяницкий, А.Т. Савичев, А.А. Васильев, Е.С. Лобанова, А.Н. Чащин, Е.В. Прокопович // Почвоведение. – 2010. – №7. – С. 879- 890.
- Лобанова, Е.С. Магнитная восприимчивость почв и техногенных поверхностных образований г. Перми / Е.С. Лобанова // Материалы V Всероссийского съезда почвоведов им. В.В. Докучаева. – Ростов-на-Дону, 2008. – С. 442.
- Лобанова, Е.С. Агрохимические свойства и валовой химический состав техногенных поверхностных образований центральной части г. Перми / Е.С. Лобанова // Материалы LXVI Всероссийской науч.-практ. конф. молод. уч., асп. и студ. – Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО Пермская ГСХА, 2008. – Ч.1. – С. 68-69.
- Лобанова, Е.С. Магнитная восприимчивость почв придорожных территорий улиц города Перми / Е.С. Лобанова, Н.В. Трегубова // Материалы LXIX Всероссийской науч.-практ. конф. молод. уч., асп. и студ. – Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2009. – Ч. 1 – С. 104-105.
- Лобанова, Е.С. Лантаноиды в почвах г. Перми / Е.С. Лобанова // Материалы LXIX Всероссийской науч.-практ. конф. молод. уч., асп. и студ. «Молодежная наука: технологии, инновации». – Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО Пермская ГСХА, 2009. – Ч.1. – С. 102-103.
- Васильев, А.А. Мессбауэровская спектроскопия в диагностике загрязненных тяжелыми металлами почв г. Перми / А.А. Васильев, Е.С. Лобанова, В.В. Коровушкин // Материалы Всероссийской заочной науч.-практ. конф. «Инновационные научные решения – основа модернизации аграрной экономики». – Пермь: Изд-во ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2011. – Ч.1. – С. 65-71.
- Кривощекова, М.И. Анализ элементного химического состава почв с применением методов математической статистики / М.И. Кривощекова, Е.С. Лобанова // Молодежная наука 2012: технологии, инновации, материалы Всероссийской науч.-практ. конф. – Пермь: Изд-во ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2012. – Ч.1. – С. 213-216.
- Васильев, А.А. Магнитная индикация загрязнения подвижными формами тяжелых металлов (Mn, Cr, Cu, Pb, Ni) почв г. Перми / А.А. Васильев, Е.С. Лобанова // Инновации аграрной науки – предприятиям АПК, материалы Международной науч.-практ. конф. Пермь: ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2012. – Ч.1. – С. 163-166.
- Лобанова, Е.С. Неоднородность магнитной восприимчивости дерново-подзолистых почв южной окраины г. Перми / Е.С. Лобанова, А.Н. Силина // Молодежная наука 2013: технологии, инновации, материалы Всероссийской науч.-практ. конф. Пермь: Изд-во ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, 2013. – Ч.1. – С. 177-180.
- Васильев, А.А. Картосхема магнитной восприимчивости почвенного покрова г. Перми / А.А Васильев, Е.С. Лобанова // Пермский аграрный вестник. – 2013. – № 3. – С. 24-27.
