Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2021, № 1, стр. 79-87

ВВЕДЕНИЕ

Почвенный покров южной Эвенкии до сегодняшнего дня остается сравнительно слабо изученным. В последнее десятилетия он подвержен возрастающему действию негативных процессов, связанных с расширением хозяйственной деятельности.

На площади водосборного бассейна р. Подкаменная Тунгуска активно ведется разведка полезных ископаемых, проводятся лесозаготовительные мероприятия, осуществляется транспортировка различных грузов (включая опасные), в том числе по зимникам – сезонным дорогам без твердого покрытия, проходящим в пределах водоохранных зон водных объектов. Указанная выше деятельность сопряжена с риском негативного воздействия на окружающую среду.

Контроль степени техногенной нагрузки и степени воздействия хозяйственной деятельности предполагает знание уровня состояния компонента окружающей среды, колебание которого на определенную величину является свидетельством изменения качественного и/или количественного состояния указанного компонента окружающей среды. Применительно к почвенному покрову, большая часть методик оценки и контроля изменений его состояния за такой уровень принимают фоновое содержание веществ в почве (в том числе загрязняющих). Несмотря на некоторые разночтения в определении данного термина, его смысловую нагрузку можно свести к следующему определению.

Фоновое содержание (фоновая концентрация) веществ в почвах – содержание химических веществ в почвах, не испытывающих заметного антропогенного воздействия [13, 10], соответствующее их естественным (природным) концентрациям [4, 5], зависящее от различий почвенно-климатических зон и их геологических и почвообразующих условий [15].

Несмотря на то, что [15] предписывает рассчитывать фоновую концентрацию как среднее, ссылаясь на п. 3.8 отмененного в 2005 г. ISO 11074-1-96, следует отметить, что специализированный ISO 19258-2018 [17] определяет фоновое значение как статистическую характеристику общего содержания веществ в почве, которое может выражаться в терминах среднего значения, медианы или диапазона значений в зависимости от масштаба и задачи исследования.

Таким образом, в рамках настоящей работы анализируется фоновое содержание веществ (тяжелые металлы, хлориды, сульфаты, натрий, нефтепродукты) в почвах, формирующихся в пределах площади водосборного бассейна Подкаменной Тунгуски в верхнем ее течении. Выбор анализируемых компонентов в основном обусловлен требованиями п. 6.4. СанПиН 2.1.7.1287-03¹¹.

РАЙОН И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Район исследования расположен в пределах Западного траппового плато и Центрально-Тунгусской впадины [3] (рис. 1). Рельеф Центрально-Тунгусской впадины представляет собой волнистую равнину, слабовсхолмленную, с выровненными водораздельными пространствами, сглаженными пологими склонами и с хорошо выработанными, широкими заболоченными долинами рек и ручьев [1].

В пределах Западного траппового плато особенности рельефа обусловлены широким развитием пластовых интрузий траппов. Долины рек здесь узкие, глубоковрезанные, характерны наклонные поймы, пороги. Интрузивные породы, как наиболее устойчивые к процессам денудации, занимают господствующие гипсометрические уровни и образуют гребневидные хребты и гривы.

Распространение многолетнемерзлых толщ островное, сугубо локальное. Мерзлые породы чаще выявляются летом в аллювиальных и торфяных отложениях, которые протаивают относительно неглубоко. Бугристые торфяники встречаются в северной части района в заболоченных долинах рек Хемур, Хонгон. На таких участках можно наблюдать разреживающиеся эпигенетические ледяные решетки в подстилающих торф озерных суглинках.

Район относится к среднетаежной ландшафтной зоне Средней Сибири. По лесорастительному районированию территория района исследований относится к Подкаменно-Тунгусскому округу Ангаро-Тунгусской провинции Средне-Сибирской плоскогорной лесорастительной области среднетаежных лиственничных и сосновых лесов [9], лесистость территории достигает 73%.

Основные лесообразующе породы − сосна обыкновенная, лиственница Чекановского, лиственница сибирская. Доминируют кустарничково-зеленомошная, травяно-кустарничковая, толокнянковая, кустарничково-зеленомошная, лишайниковая группы светлохвойных лесов.

Среди заболоченных лесов наибольшее распространение имеют березовые леса и мелколесья из березы пушистой: кустарничково-осоково-политриховые, кустарничково-моховые и кустарничково-ерниково-осоково-вейниковые.

По почвенно-географическому районированию район исследований находится на стыке Приенисейской горной и Средне-Сибирской почвенных провинций Восточно-Сибирской мерзлотно-таежной почвенно-биоклиматической области [11]. В структуре почвенного покрова на водораздельных пространствах основная роль принадлежит дерново-подзолистым слабооподзоленным (Umbric Podzols) почвам, подбурам грубогумусовым и иллювиально-железистым (Histic Phaeozem), а в пределах речных долин – аллювиальным серогумусовым типичным и глееватым (Dystric Fluvisols), слоисто-аллювиальным гумусовым (Leptic Fluvisols), аллювиальным торфяно-глеевым (Histic Fluvisols Oxyaquic), а также торфяным эутрофным почвам (Histosols Sapric).

Учитывая рандомизированую структуру сети пробоотбора в пределах района исследования, отобранные в рамках настоящей работы пробы характеризуют:

− почвы структурно-метаморфического, текстурно-дифференцированного, криометаморфического, альфегумусового, железисто-метаморфического отделов постлитогенного ствола почвообразования;

− почвы аллювиального отдела синлитогенного ствола почвообразования

МЕТОДИКА ОПРОБОВАНИЯ И АНАЛИТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Пробоотбор осуществлен по нерегулярной сети опробования в период с 2010 по 2019 г. Каждый пункт отбора проб представляет собой пробную площадку, характеризующую элементарный природный ландшафт. На каждой площадке проводилось морфологическое описание почвы и отбиралось по пять единичных проб методом конверта из поверхностного горизонта (0–20 см). Объединенная проба высушивалась до воздушно-сухого состояния, упаковывалась и направлялась в лабораторный стационар. Часть объединенной пробы, предназначенная для определения нефтепродуктов, помещалась в стеклянный флакон с притертой пробкой. Каждая проба сопровождалась этикеткой, содержащей шифр пробы без географической и иной привязки к месту отбора. Местоположение пробной площади фиксировалось с помощью GPS/ГЛОНАСС в полевом журнале.

Отобранные пробы передавались в лабораторные стационары, аккредитованные в установленном порядке. Анализ проводился в лаборатории филиала ЦЛАТИ по Енисейскому региону и ГПКК “КНИИГиМС”. pH(солевой) определялся по ГОСТ 26483-85²². Валовое содержание тяжелых металлов и металлоидов в разные годы определялось в соответствии с РД 52.18.685-2006³³, М-МВИ-80-2008⁴⁴. Ртуть определялась методом “холодного пара” атомно-адсорбционной спектрометрии (ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98⁵⁵). Нефтепродукты определялись методом ИК-спектрометрии по ПНД Ф 16.1:2:2.22-98⁶⁶.

Стоит отметить, что результаты анализа проб, выполненные методами атомно-эмиссионной спектрометрии и атомно-абсорбционной спектрометрии, не имеют статистически достоверных отличий, так как оборудование и методики, применяемые для анализа, включают в себя системы коррекции неселективного поглощения, матричных эффектов и других помех.

Статистическая обработка фактического материала включала выполнение нескольких этапов.

1. Подготовка выборки

Выполнен отсев пробных площадей, не соответствующих определению фоновых по нормативным документам [4, 5, 15, 13, 10]. В результате данной операции исходной размер выборки уменьшился с 456 проб до 209. Расчет основных статистик для полученной выборки представлен в табл. 1.

Рис. 1.

Карта-схема района исследования.

Таблица 1.

Основные статистики выборки фоновых проб

Статистика	pH (KCl), ед.	Hg	Pb	Zn	As	Cd	Ni	Cu	НП*	Na+	Cl–	${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$
Среднее, кг/кг	5.63	0.03	8.08	57.88	4.07	0.71	33.30	31.35	242.71	29.86	21.01	26.28
Стандартная ошибка, кг/кг	0.09	0.00	0.71	5.77	0.29	0.09	2.75	3.32	35.31	2.43	2.94	3.07
Медиана, г/кг	5.70	0.02	6.50	53.00	3.00	0.33	30.00	24.10	115.50	21.00	10.00	17.00
Мода, кг/кг	4.90	0.01	10.00	37.00	2.50	0.40	24.00	22.00	25.00	5.00	13.00	15.00
Стандартное отклонение, кг/кг	1.22	0.03	10.30	75.68	3.94	0.97	39.81	48.01	509.18	31.54	38.95	40.09
Дисперсия выборки	1.48	0.00	106.19	5727.64	15.4	0.95	1584.83	2305	259 263	994.69	1516.8	1607.12
Эксцесс	–1.14	11.16	51.17	142.42	2.82	5.51	148.8	146.3	82.36	18.71	32.64	53.48
Асимметричность	–0.13	2.63	6.09	11.41	1.83	2.43	11.29	11.18	7.96	3.62	5.36	6.54
Минимум, кг/кг	2.60	0.00	0.20	5.20	0.03	0.03	0.62	1.20	2.50	1.50	1.40	1.00
Максимум, кг/кг	7.90	0.21	110	1000	19.5	4.90	560	664	6011	250	315	405
Число проб, шт.	178	184	209	172	184	124	209	209	208	169	175	171

* Cокращение НП здесь и далее – нефтепродукты.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные результаты в целом соответствуют другим немногочисленным работам (табл. 4). Так, в работе [2] на основе анализа 21000 проб, для почв территории юга Красноярского края получены значения концентраций тяжелых металлов, сопоставимые с полученными в рамках настоящей работы результатами.

Фоновые концентрации для нефтепродуктов, обменного натрия, хлорид и сульфат – ионов представлены в табл. 5. Концентрации нефтепродуктов в почвах имеют достаточно неравномерный характер пространственного распределения, что обусловлено в первую очередь высокой гетерогенностью почвенного покрова и распространения почв с торфяными и оторфованными грубогумусовыми горизонтами. Рассчитанная фоновая концентрация является репрезентативной для подавляющего большинства почв, формирующихся в пределах района исследования. Тем не менее, концентрации нефтепродуктов, классифицированные как выбросы по выборке, в соответствии с критериями [4, 5, 15, 13, 10] также являются фоновыми.

Как было отмечено ранее, большинство выбросов выборки характерны для почв с наличием выраженного торфяного либо грубогумусового горизонта, а также территориально сопряжены с площадями гарей 1–3 лет. Завышение содержания нефтепродуктов в таких почвах, обусловлено тем, что по своей сути ИК-метод определения нефтепродуктов − метод регистрации алифатических и циклических углеводородов в анализируемом образце. Соответственно, при проведении измерений завышение концентраций нефтепродуктов обусловливают либо битумы оторфованного грубогумусового горизонта, либо частицы древесного угля, являющиеся по химическому составу аморфными высокомолекулярными продуктами, включающими алифатические и ароматические структуры [144, 7]. При оценке степени загрязнения почв района следует учитывать указанную особенность.

Методология определения фонового уровня и оценки степени загрязнения почв нефтепродуктами является дискуссионным вопросом. Авторы работы [166] не относят почвы с содержанием нефтепродуктов до 500 мг/кг к категории загрязненных. Согласно [13], нижняя градация загрязнения почв − 1000 мг/кг. В ПНД Ф 16.1:2.21-98 (издание 2012 г.)⁷⁷ для средне- и южно-таежных подзолов и дерново-подзолистых почв, устанавливаются ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) – 2 г/кг. Согласно принятому нормативу допустимого остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации (ДОСНП)⁸⁸, допустимые концентрации для почв района исследования находятся в интервале 2.2–5 г/кг для разных типов почв. Несмотря на то, что концентрации, установленные в ОДК и ДОСНП, по определению не могут рассматриваться как фоновые, данные концентрации определяют тот уровень, при достижении которого почвы можно отнести к категории загрязненных. В то же время, РД 52.18.575-96⁹⁹ для нефтедобывающих районов устанавливает фоновые концентрации нефтепродуктов на достаточно низком уровне 100 мг/кг. Более детально проблема оценки фоновых концентраций нефтепродуктов в почвах освещается в публикации [12].

В рамках данной работы, концентрация в 361 мг/кг, определенная как среднее+3σ для очищенной от выбросов нормализованной выборки исходно фоновых проб, характеризует фоновые концентрации нефтепродуктов почв района исследования. Так же, учитывая моду равную 1100 мг/кг для значений концентраций нефтепродуктов в фоновых пробах, определенных как “выбросы”, принимая во внимание вышеуказанные нормативные документы, предлагаем при оценке загрязнения почв района исследования, считать верхним пределом фоновых концентраций нефтепродуктов значения для минеральных почв равные 361 мг/кг, для торфяных (органогенных) – 1100 мг/кг.

Используя полученные значения фоновых концентраций, был рассчитан суммарный показатель химического загрязнения Zc¹⁰¹⁰ (в соответствии с п. 4.20 СП 11-102-97¹¹¹¹) для выборки техногенных проб, выборки фоновых проб с отсевом выбросов, выборки фоновых проб с выбросами по критерию “среднее+3σ”. Для выборки фоновых проб с выбросами дополнительно проведен расчет с использованием в качестве фоновой концентрации нефтепродуктов уровень модальных значений – 1100 мг/кг. Результаты представлены в табл. 6.

Ожидаемо, самый низкий суммарный показатель химического загрязнения характерен для выборки с отсевом экстремальных значений. В соответствии с письмом Госкомзема России от 23.12.1993 № 61-5678¹²¹², у всех проб данной выборки степень загрязнения допустимая. При включении в выборку экстремальных значений, но с учетом в качестве фонового уровня нефтепродуктов концентрацию в 1100 мг/кг, согласно вышеуказанному письму, к пробам с допустимой степенью загрязнения теперь относятся 177 проб, со слабой – 29 проб, средней – 3 пробы. Принимая в качестве фонового значения концентрации нефтепродуктов 361 мг/кг, при прочих равных условиях, количество проб со средней степенью загрязнения увеличится на 2 единицы, со слабой на 9.

При расчете Zc для выборки проб, изначально не относящихся к фоновым, при сопоставимом объеме этой выборки, кратно возрастает группа проб со средней степенью загрязнения, при появлении категорий проб сильно и очень сильно загрязненных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках работы оценены фоновые концентрации элементов в почвах района исследования с использованием стандартного статистического аппарата. Методология оценки базируется на положениях, изложенных в [8, п. 244] и [17].

Полученные в результате работы фоновые значения позволили оценить степень загрязнения почв района исследования. При широком диапазоне Zc для почв с техногенных участков (вплоть до очень сильной степени загрязнения), фоновые пробы (даже с учетом экстремальных значений) характеризуются в основном как допустимо загрязненные.

В рамках работы отмечены особенности определения нефтепродуктов в почвах района исследования.

Использование фоновых концентраций существенно повышает степень достоверности проводимых в пределах района исследования надзорных мероприятий, инвентаризации нарушенных земель, проектно-изыскательских, рекультивационных и иных работ, в которых для принятия решений требуется учитывать исходное – фоновое состояние почв.