Почвоведение, 2022, № 5, стр. 571-585

ВВЕДЕНИЕ

При антропогенном воздействии на городские ландшафты формируется особая среда, в которой в настоящее время проживает более половины населения Земли. Однако она не всегда является комфортной и благоприятной для его жизни [22]. Интенсивное техногенное воздействие, токсичные выбросы, отходы и стоки промышленных производств, автотранспорта, коммунально-бытовые отходы приводят к загрязнению всех компонентов городской среды. В наибольшей степени в городах трансформируются почвы, служащие индикатором экологического состояния ландшафтов и отражающие многолетний уровень загрязнения [11]. В России эколого-геохимический мониторинг городских почв как основного депонирующего компонента в экосистемах проводится преимущественно в крупных городах и мегаполисах. Почвы малых и средних промышленных городов исследуются в меньшей степени, поэтому оценка их загрязнения является важной и актуальной задачей.

Приоритетными загрязнителями городской среды повсеместно являются тяжелые металлы и металлоиды (ТММ) [11]. В их группу входят 58 химических элементов с порядковым номером от 23 до 92 таблицы Д.И. Менделеева, начиная с V и заканчивая U, кроме инертных газов и галогенов [6]. Некоторые ТММ обладают высокой токсичностью и канцерогенной активностью, поэтому считаются суперзагрязнителями городской среды. Несмотря на низкий природный кларк многих ТММ в компонентах ландшафтов, их техногенные аномалии в верхних горизонтах почв могут создавать экологические риски для здоровья человека. Например, миграция по пищевым цепям и накопление малоизученной в экологическом плане Sb приводит к поражению нервной и сердечно-сосудистой систем, а вдыхание пыли, содержащей Sb, – к пневмонии, фиброзу и раку легких [38]. Отравление человека Cu через пищу и воду ведет к тяжелым заболеваниям желудочно-кишечного тракта, печени и нервной системы, а вдыхание загрязненного Cu воздуха вызывает системные поражения органов дыхания [28].

Важность изучения ТММ в городских почвах подтверждается высокими объемами их добычи в мире, которая сопровождается большим количеством выбросов, отходов и стоков различных производств. Увеличение техногенной нагрузки на окружающую среду отражает показатель технофильности, равный отношению ежегодной добычи или производства металлов к кларку того или иного элемента в литосфере [19], который за вторую половину ХХ в. для большинства ТММ увеличился в 2–5 раз. Рост содержания ТММ в окружающей среде в процессе техно- и урбогенеза вызвал “металлизацию” поверхности Земли [13].

Цель работы – оценить уровни содержания и опасность загрязнения ТММ почв г. Северобайкальска на основе данных геохимической съемки летом 2018 г. Этот город расположен на берегу оз. Байкал – уникального объекта, внесенного в список Всемирного наследия ЮНЕСКО. Ранее установлены главные элементы-загрязнители в снежном покрове [3], эколого-геохимическое состояние почв города детально не оценивалось. Решались следующие задачи:

– определить содержание и пространственное распределение ТММ в верхнем слое почв различных функциональных зон города;

– проанализировать основные свойства фоновых и городских почв, влияющих на накопление ТММ;

– выявить техногенные источники ТММ и факторы, способствующие формированию в почвах аномалий ТММ;

– дать оценку экологической опасности загрязнения городских почв ТММ.

ИЗУЧАЕМАЯ ТЕРРИТОРИЯ

Город Северобайкальск расположен в Республике Бурятия, на северо-западном берегу оз. Байкал, что определяет не только актуальность, но и значимость работы. Город основан в 1974 г. как базовый лагерь строителей Бурятского участка Байкало-Амурской магистрали, сейчас является крупным транспортным узлом и промышленным центром.

Природные условия. Территория города находится на Северо-Байкальском нагорье. В его геологическом строении доминируют метаморфические и интрузивные коренные породы протерозоя и рыхлые четвертичные отложения, представленные пылеватыми песками и супесями [5]. На состояние приземного воздуха в городе большое влияние оказывает азиатский антициклон, при котором зимой в понижениях рельефа происходит застой холодных масс, что приводит к температурным инверсиям, препятствующим выносу вредных примесей из атмосферы и их накоплению в почвах.

Природные (зональные) почвы относятся к Прибайкальской предгорной провинции грубогумусовых почв высоко- и среднегорного Байкальского округа [27]. Структура почвенного покрова горно-таежной зоны Северного Прибайкалья неоднородна и во многом связана с проявлением вертикальной поясности и экспозицией склонов. Основной фон почвенного покрова региона составляют подбуры (Entic Podzols), подзолы (Albic Podzols), дерново-подзолы (Albic Podzols), дерново-подбуры (Entic Podzols) и буроземы грубогумусовые (Folic Cambisols) [1, 25]. Почвы характеризуются слабой дифференциацией и малой мощностью профиля, которая в подзолах составляет около 40 см. Почвы имеют облегченный гранулометрический состав и высокую степень щебнистости, их водный режим относится к промывному типу, таежно-длительно-сезонномерзлотному подтипу, а температурный – к длительно-сезоннопромерзающему типу [26].

На городской территории многие природные типы почв в той или иной степени техногенно-трансформированы и химически преобразованы, в некоторых утрачены генетические признаки исходных зональных типов, снижена обеспеченность элементами минерального питания растений, заторможена минерализация отмерших остатков, изменено гумусное состояние, повышено содержание токсичных элементов [18]. Верхний слой получен перемешиванием, насыпанием, погребением или загрязнением урбаногенного материала. Такие почвы относятся к группе собственно городских почв – урбаноземов с одним или несколькими горизонтами “урбик” UR, состоящими из своеобразного пылевато-гумусового субстрата разной мощности и качества с примесью строительно-бытового мусора [8].

Функциональная структура территории. Функциональная структура города играет ведущую роль в формировании техногенных аномалий ТММ в почвах, поэтому проведено функциональное зонирование территории г. Cеверобайкальска и выделены пять зон: промышленная, транспортная, рекреационная, селитебная с усадебной застройкой и многоэтажная жилая зона (рис. 1). Карта функциональных зон составлена на основе “Схемы существующего использования территории городского округа” и дешифрирования космических снимков Google Earth.

Рис. 1.

Карта фактического материала. Функциональные зоны: I – промышленная, SM – селитебная с городской застройкой, SS – селитебная с одноэтажной застройкой, R – рекреационная, Un – незастроенные и малоиспользуемые территории. T1 – крупные автодороги, Т2 – мелкие автодороги, Т3 – железные дороги. Точки отбора проб из верхнего слоя почв: P1 – городских, Р2 – фоновых. Цифрами на карте обозначены основные источники техногенного воздействия: 1 – центральная котельная, 2 – котельная № 11, 3 – котельная № 12, 4 – хлебозавод, 5 – нефтебаза, 6 – локомотивное депо, 7 – очистные сооружения, 8 – городская свалка, 9 – железнодорожная станция, 10 – воинская часть.

Промышленная зона включает ряд предприятий, расположенных в разных частях города. Действующие предприятия: нефтебаза, Центральная и две районные ТЭЦ, очистные сооружения, производство строительных материалов (ОАО Трест “Запбамстроймеханизация”) на северо-западе, сервисы для автомобилистов на северо-востоке (СТО “Мотор” и др.), хлебозавод и другие производства легкой и пищевой промышленности. К транспортной зоне относятся крупные автомагистрали (Усть-Кут–Уоян, автодублер БАМа, проспекты Ленинградский и 60 лет СССР), средние автомагистрали (ул. Рабочая, Космонавтов, Полиграфистов, Студенческая) и более мелкие внутриквартальные дороги. Селитебная зона объединяет жилые кварталы с разной плотностью застройки, здания общественно-делового назначения, культурного, образовательного и медицинского характера, торговые центры. Бóльшая их доля сосредоточена в центральной части города. Рекреационная зона представлена парками в центре города, в нее входит также прибрежная часть озера Байкал, яхт-клуб, пляжи и набережная. Основную часть территории города (36%) занимает селитебная зона, в том числе 26% – усадебная, 10% – многоэтажная, 25% – рекреационная зона, транспортная и промышленная зоны составляют 17 и 22% соответственно.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

На территории Cеверобайкальска и окрестностей проведено опробование верхнего (0–10 см) слоя почв по регулярной сетке с шагом 500–600 м, согласно европейской методике [30]. Он представляет собой верхнюю часть (UR1) горизонта “урбик” – гетерогенного гумусово-аккумулятивного горизонта буровато-серого или коричневато-серого цвета, непрочно комковатого, часто бесструктурного с большим количеством антропогенных включений. В качестве природного фона опробована верхняя часть (0–10 см) гумусово-аккумулятивного горизонта природных почв в ненарушенных ландшафтах Северного Прибайкалья. В ходе съемки собрано 47 смешанных (в 3–4 повторностях) проб почв в разных функциональных зонах города, две смешанные пробы золы и каменного угля с территории Центральной ТЭЦ и 10 проб фоновых почв.

Валовое содержание ТММ в почвах, буром угле и золе ТЭЦ анализировалось масс-спектральным (ICP-MS) и атомно-эмиссионным (ICP-AES) методами с индуктивно-связанной плазмой во ВНИИ минерального сырья им. Н.М. Федоровского на приборах Elan-6100 и Optima-4300 (Perkin Elmer, США). Для детального анализа выбрано 15 элементов, относящихся к I (Zn, As, Pb, Cd), II (Cr, Co, Cu, Mo, Ni, Sb) и III (V, W, Mn) классам опасности, а также Sn и Bi.

Основные свойства почв определялись общепринятыми в РФ методами [16]: актуальная кислотность (рН_вод) – в водной суспензии на стационарном приборе “Эксперт-рН”, содержание С_орг – методом Тюрина с титриметрическим окончанием, гранулометрический состав – на лазерном микроанализаторе размеров частиц Analyzette 22 comfort (Германия), растворимые вещества-электролиты – по удельной электропроводности (EC_1 : 5) водной вытяжки на кондуктометре SevenEasy S30 (Mettler Toledo) в Эколого-геохимическом центре географического факультета МГУ.

Аналитические данные группировались по функциональным зонам и обрабатывались статистическими методами в программных пакетах MS Excel и Statistica 10. В верхнем слое городских почв рассчитывались коэффициенты накопления Кс = Cг/Cф и рассеяния Кр = Cф/Cг относительно фоновых аналогов, где Cг, Cф – концентрации ТММ в городских и фоновых почвах соответственно. Суммарное загрязнение почв ТММ оценивалось по показателю Zc = ΣКc – (n – 1), при расчете которого учитывались n элементов с Кс > 1. Показатель Zc имеет 5 градаций: <16 – низкое, неопасное загрязнение, 16–32 – среднее, умеренно опасное, 32–64 – высокое, опасное, 64–128 – очень высокое, очень опасное, >128 – максимальное, чрезвычайно опасное [7, 12]. Региональные особенности фоновых почв определялись путем расчета кларков концентрации КК = Сф/К (при К < Cф) или рассеяния КР = К/Сф (если К > > Cф) относительно среднемировых уровней элементов в почвах К [33]. Концентрации ТММ в бурых углях Су и золе Сз Центральной ТЭЦ сравнивались со средними значениями ТММ в бурых углях Kу и золе мира Kз [28] c расчетом коэффициентов концентрации ККу = Су/Kу и ККз = Сз/Kз.

Экологическая опасность отдельных ТММ в почвах оценивалась путем расчета коэффициента Ко = Cг(i)/ПДКi, где ПДКi – ПДК (ОДК) i-го элемента, мг/кг. Содержания V, Sb сравнивались с ПДК в почвах, Cu, As, Cd, Ni, Pb, Zn – с ОДК [24]. Картографирование степени загрязнения почв по суммарному показателю Zc выполнено в пакете ArcGIS 10 с помощью градуированных символов.

Для выделения парагенетических ассоциаций ТММ со сходными тенденциями к накоплению и выносу из почв в различных ландшафтно-геохимических условиях использовался алгоритм иерархической кластеризации Complete linkage в пакете Statistica 10 [23]. Теснота связей между элементами и их статистическая значимость оценивались с помощью корреляционного анализа. Ведущие факторы, влияющие на аккумуляцию ТММ в городских почвах, определялись по дендрограммам, построенным в пакете Splus методом регрессионных деревьев [15]. Моноэлементные геохимические карты составлялись в пакете ArcGIS 10.6.1 методом сплайн-интерполяции, карты функционального зонирования и фактического материала – в пакетах Global Mapper 8 и Google Earth Pro.

ИСТОЧНИКИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОИДОВ

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу Cеверобайкальска от стационарных источников в 2017 г. составили 2.6 тыс. т [9]. Основными поставщиками тепловой энергии в городе являются Центральная ТЭЦ и районные котельные, использующие в качестве топлива бурые угли Канско-Ачинского бассейна. Эти угли отличаются малой зольностью – 2–10%, низким содержанием серы – 0.2–1.2% и пониженными концентрациями большинства ТММ [10].

Анализ химического состава Канско-Ачинских бурых углей и золы с территории Центральной ТЭЦ г. Северобайкальска (табл. 1) выявил наибольшее накопление в углях Sr (ККу = 3.07), Ba (2.36), Mn (1.08), а в золе – Mn (ККз = 2.4) и Ni (1.04) относительно среднемировых данных [28], остальные ТММ характеризуются низкими содержаниями. Таким образом, углефильность выражена только у Sr, Ba, Mn.

Сравнение фактического содержания ТММ в золе и рассчитанного по содержанию ТММ в углях и их средней зольности показало, что все рассматриваемые ТММ способны конденсироваться на выбрасываемых аэрозолях, улетучиваться с дымовыми газами ТЭЦ и осаждаться на поверхности городских почв. Наибольшей летучестью обладают Pb, Bi, Sn, Cd, Sr, Ba, Zn, Sb, W, имеющие в 16–5.5 раза более низкую концентрацию в золе по сравнению с рассчитанной.

Объектами транспортной инфраструктуры, оказывающими большое влияние на загрязнение атмосферы и почв г. Северобайкальска, являются локомотивное депо, вагонное хозяйство, площадки разгрузки угля и др., а также улично-дорожная сеть. Выбросы предприятий железнодорожного транспорта содержат пыль, сажу, оксид углерода, диоксиды серы и азота, фтористые соединения, углеводороды, сероводород, ТММ и др. [35]. Высокие уровни Cd, Cu, Zn, Pb, As отмечены в почвах вблизи железнодорожных путей на Белорусском и трех вокзалах г. Москвы [17]. При мойке железнодорожных составов в локомотивных депо образуются значительные объемы стоков, содержащие Ni, Сr, Сu, Cd, Cl, Pb, Sb, Zn [21].

Воздействие автотранспорта обусловлено выхлопными газами, содержащими Pb, Cu, Sr; утечками моторного масла – Zn, Pb, Cu, Sb, Mo; а также истиранием шин – Cd, Zn, Pb, Co, Ni, Cr, Cu, Sb, тормозных колодок – Cu, Sb, Zn, Pb и дорожного полотна –Ag, Zn, As, W, Cr, V, Co [14]. Высокие уровни W и Zn обусловлены ускоренным истиранием шин и износом тормозных колодок при неравномерном режиме движения [29]. Исследования на востоке Москвы показали, что все компоненты городской среды накапливают Sb, W, Sn, а тонкие фракции дополнительно обогащены Cd, Zn, Cu, Pb, Mo, Bi, особенно сильно на крупных дорогах [34]. Sb и Pb зачастую используются для индикации истирания тормозных колодок и дисков [31, 32, 37], а Zn, W, Co и Cd – износа шин и дорожного полотна [29, 36].

Промышленные объекты – “Нижнеангарскстрой”, передвижная механизированная колонна, “ЛенБАМстрой”, асфальтобетонный завод – могут поставлять в городскую среду широкий спектр ТММ [3, 4]. Производство строительных материалов связано с переработкой природных пород (известняка, глины, песка, гранита и др.) и искусственных веществ. С выбросами этих производств в городскую атмосферу, как правило, поступают Ag, Pb, W, Sb, Zn [7], а также Al, As, Be, Cd, Co, Cu, Fe, Hg, Mn, Ni, Tl, V [30].

Очистные сооружения образуют отходы и сточные воды, обогащенные широким спектром токсичных элементов; обычно со стоками в почву попадают Al, As, Ca, Cd, Cl, Cr, Cu, Fe, Hg, Mg, Mn, Na, Ni, P, Pb, Sb, Se, Zn [30]. Источниками загрязнения почв города также являются свалки бытовых и промышленных отходов, только за 2017 г. было сформировано 9.6 тыс. т отходов [9].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Основные свойства фоновых и городских почв. Верхний слой фоновых почв Северного Прибайкалья супесчаный (19% физической глины – частиц диаметром менее 0.01 мм), с нейтральной реакцией среды (средний рН 6.9), низкой минерализацией водной вытяжки (EC_1:5 102 мкСм/см) и невысоким содержанием органического углерода (С_орг 2.8%). Воздействие источников загрязнения на городские почвы привело к трансформации их физико-химических свойств, определяющих сорбционную способность по отношению к ТММ (табл. 2, рис. S1 ).

Гранулометрический состав городских почв не отличается от фоновых, за исключением промышленной и транспортной зон, где содержание физической глины увеличивается за счет поступления тонких частиц техногенного происхождения. В этих зонах преобладают почвы легкосуглинистого состава при супесчаных почвах на остальной территории.

Практически во всех функциональных зонах Северобайкальска, кроме рекреационной, происходит техногенное подщелачивание почв – среднее значение рН по сравнению с фоном (6.9) увеличилось до 7.4 при максимальном 8.2 в почвах транспортной зоны. Наиболее кислые почвы (рН 5.0) приурочены к заболоченным участкам рекреационной зоны на юго-востоке города, а наиболее щелочные (рН 8.2–8.1) встречаются локальными ареалами на северо-западе и северо-востоке города в селитебной многоэтажной, промышленной и транспортной зонах. Увеличение рН объясняется поступлением в городские почвы карбонатной пыли от промышленных производств, в особенности, строительных материалов, а также использованием противогололедных реагентов в зимний период. Среднее значение рН в почвах уменьшается в ряду функциональных зон: селитебная многоэтажная (7.69) > промышленная (7.65) > транспортная (7.56) > селитебная усадебная (7.33) > рекреационная (6.79). В первых трех зонах проявляется значимое подщелачивающее воздействие карбонатной строительной пыли, в усадебной зоне отличия рН от фоновых значений незначимы, в рекреационной зоне средняя величина рН практически совпадает с фоновой.

В городских почвах выявлена повышенная минерализация водной вытяжки по сравнению с фоновым уровнем, что указывает на развитие антропогенного засоления верхнего слоя. Величины ЕС_{1 : 5} колеблются от минимального 47.8 мкСм/см в почвах рекреационной зоны до 328 мкСм/см в селитебной многоэтажной зоне, составляя в среднем 129.3 мкСм/см. Высокая минерализация водной вытяжки связана с использованием противогололедных реагентов в зимний период, солевыми отходами промышленных объектов и коммунально-бытовыми стоками. В городских почвах наблюдается также увеличение содержания С_орг по сравнению с фоновыми почвами (табл. 2). При незначительном отличии среднего содержания С_орг в городских почвах (3%) от фонового (2.8%) в промышленной зоне величина С_орг составляет 4.1%. Повышенные до 15.6% значения С_орг в почвах зафиксированы на северо-востоке города и обусловлены выбросами частиц золы от тепловой электростанции, котельных и узла железнодорожного транспорта (рис. S1 ). Другой максимум С_орг приурочен к рекреационной зоне – парку в центре города.

Содержание ТММ в фоновых и городских почвах. Верхний слой фоновых почв Северного Прибайкалья относительно среднемировых уровней элементов в почвах [33] содержит низкие концентрации большинства ТММ. Природные почвы обогащены только Mn (КК = 2.4) и Zn (КК = 1.6), что объясняется их биогенной аккумуляцией в гумусовом горизонте. Остальные ТММ рассеиваются – Sb, Cu, Cd, As, Bi, W (КР 2.5–1.5), Mo, V (КР 1.4) или имеют содержания, близкие к фоновым Pb, Co, Cr, Sn (табл. 3).

В верхнем слое городских почв относительно местного фона накапливаются три элемента – Sb, Pb, W со средними Кс 2.6–1.5. Состав элементов-загрязнителей и уровни их содержания довольно существенно различаются по функциональным зонам (табл. S1 ), что наглядно отражают геохимические спектры (рис. 2). Эти различия обусловлены различным вкладом источников загрязнения – выбросов автотранспорта, ТЭЦ, котельных и предприятий по обслуживанию железной дороги, отходов других промышленных предприятий и бытовых отходов. Наиболее загрязненными ТММ являются почвы транспортной, промышленной и селитебной усадебной зон. В первых двух наиболее интенсивным накоплением отличаются элементы с высокой технофильностью – Sb, Pb, Cu (Кс 4.2–1.4) [13]. Почвы селитебной усадебной зоны накапливают Sb, W, Pb, Cd, Zn (Кс 2.7–1.4), а селитебной многоэтажной застройки – Cd, Sb, Pb (Кс 1.5–1.4). Поступление W, Cd, Zn в почвы жилой зоны связано с коммунально-бытовыми отходами, выбросами и стоками. Наименее загрязнены ТММ почвы рекреационной зоны, они незначительно обогащены Sb (Кс 1.9), Pb (1.4) и Cu (1.3).

Рис. 2.

Геохимические спектры тяжелых металлов и металлоидов в верхнем (0–10 см) слое почв по функциональным зонам г. Северобайкальска.

Среди ТММ лидирует Sb в почвах транспортной (Кс 4.2), промышленной (3.2) и селитебной усадебной (2.6) зон. Два других пика накопления элементов в почвах имеют Pb и W, первый образует максимум в промышленной и селитебной усадебной зонах (Кс 2.1–2.0), второй – в селитебной усадебной (2.3). Наиболее интенсивно рассеиваются Bi в почвах транспортной и рекреационной зон (Кр 1.4) и Mn – в промышленной и селитебной усадебной зонах (Кр 1.4).

Таким образом, приоритетными загрязнителями почв г. Северобайкальска являются Sb, Pb и W, а геохимическая специализация верхнего горизонта почв характеризуется спектром (нижние индексы – Кс): Sb_2.6Pb_1.7W_1.5Cu_1.3Cd_1.2As_1.2Sn_1.1Zn_1.1Co_1.0Ni_1.0V_1.0Mo_0.9Cr_0.9Bi_0.9Mn_0.8. Выявленный состав ТММ в верхнем слое городских почв частично совпадает с данными Государственных докладов “О состоянии и охране окружающей среды в Республике Бурятия” в 1991–2003 гг., согласно которым главными загрязнителями почв Северобайкальского промузла являются Cd, Pb, Zn, Hg, F, Mo, Mn. Отсутствие Mo и Mn в нашем списке приоритетных поллютантов можно объяснить более низкой современной техногенной геохимической нагрузкой на территорию, а также высокой подвижностью этих элементов при рН < 8, способствующей выносу этих элементов из верхних горизонтов [20].

Парагенетические ассоциации ТММ в городских почвах. С помощью кластерного анализа выделены парагенетические ассоциации ТММ в верхнем слое городских почв, поступающие из общих источников загрязнения и характеризующиеся сходными тенденциями к накоплению и выносу в различных ландшафтно-геохимических условиях (рис. S2 ). В верхнем слое почв г. Северобайкальска выделены три ассоциации ТММ: V–Cr–Co–Ni ← Mn; Zn–Cd–Pb; Sn–Sb–Mo. Мышьяк, Bi, Cu и W с другими элементами не ассоциируются.

В ассоциацию V–Cr–Co–Ni ← Mn (с коэффициентами корреляции между элементами r = 0.50–0.81 при более слабых связях с Mn – r = 0.50–0.18) входят сидерофильные элементы, где Ni, Mn и Co – катионогенные металлы, образующие устойчивую связь с анионогенным V [20]. Образование данной ассоциации не приурочено к какому-либо конкретному источнику загрязнения, а объединяет элементы в основном природного происхождения с содержаниями в городских почвах, близкими к фоновым. Халькофильные Zn–Cd–Pb с высокими корреляционными связями (r = 0.50–0.87) присутствуют в выбросах автотранспорта. Ассоциация Sb–Sn–Mo (r = 0.46–0.69) в городских почвах объединяет анионогенные элементы.

Техногенные аномалии ТММ в городских почвах. На территорию города составлены карты для трех приоритетных загрязнителей Sb, Pb, W в верхнем слое почв (рис. 3). Для каждого элемента выделено несколько аномалий, которые не совпадают между собой по локализации, что говорит о разных источниках загрязнения. Некоторые техногенные аномалии металлов-загрязнителей, в частности, Sb и Pb, расположены на достаточно близком (до 500 м) расстоянии от уреза озера Байкал, что может сказаться на экологическом состоянии озерных вод [2].

Рис. 3.

Распределение Sb (а), Pb (b), W (c) в верхнем (0–10 см) слое почв г. Северобайкальска.

Рис. 3.

Окончание

Техногенные аномалии Sb в городских почвах занимают сравнительно небольшую площадь. Выявлены две крупные аномалии Sb на юго-западе и северо-востоке и одна небольшая и малоконтрастная аномалия на северо-западе. Максимальные концентрации Sb (5–7.5 мг/кг) в центре крупных аномалий превышают фоновый уровень в 17–28 раз, а ПДК в почвах в 1.7 раза. Образование юго-западной аномалии связано с выбросами промышленной зоны и очистных сооружений, северо-восточной – с влиянием ТЭЦ, локомотивного депо и железнодорожного узла, северо-западной – с выбросами промышленной зоны и стоками со свалки бытовых отходов.

Техногенные аномалии Pb в верхнем слое почв занимают бóльшую площадь, чем Sb. Самая крупная аномалия Pb, занимающая почти половину территории города, имеет максимальное содержание до 75–105 мг/кг с превышением фона в 3.5–4.8 раза, а ОДК в 2.3–3.1 раза. Вытянутая с севера на юг аномалия приурочена к промышленной и селитебной зонам, она сформировалась в основном под воздействием отходов и стоков автотранспортных предприятий и автотранспорта. Вторая небольшая и слабоконтрастная аномалия Pb (до 60 мг/кг) на северо-востоке обусловлена комплексным влиянием промышленных производств, железнодорожного узла и выбросов ТЭЦ. Третья аномалия – самая небольшая по площади и контрастности (до 30–45 мг/кг) – находится на берегу оз. Байкал и обусловлена латеральной миграцией Pb вниз по склону от промышленной зоны и автомагистрали к урезу озера.

Основное загрязнение почв W, аналогично Pb, сосредоточено в западной части города, где элемент образует серию довольно контрастных аномалий, в центрах которых содержание W увеличивается до 9–10.5 мг/кг, что превышает фон в 8–9 раз. Аномалии W приурочены в основном к селитебной усадебной зоне, соседствующей с промышленными предприятиями. Аномалии сформировались, вероятно, под воздействием выбросов промышленных производств, где W использовался в твердосплавных материалах и бурильных установках для прокладки тоннелей. Вольфрам входит в состав легированных сталей, которые широко применяются для производства режущего и горного инструмента [39].

Факторы аккумуляции ТММ в городских почвах. Для выявления ведущих факторов, контролирующих накопление приоритетных поллютантов в верхнем слое почв г. Северобайкальска, проведен статистический анализ с построением дендрограмм методом регрессионных деревьев (рис. S3 ). Учитывались две группы факторов: 1) антропогенные, воздействие которых характеризует принадлежность к той или иной функциональной зоне, 2) основные свойства почв – кислотно-основные (рН), удельная электропроводность водной вытяжки (ЕС_1:5), содержание органического вещества (С_орг), физической глины (Ф.глина), оксидов Fe и Mn. Ландшафтные факторы (рельеф, почвообразующие породы, растительность) не рассматривались в связи с их небольшой изменчивостью на территории города.

Главным фактором распределения лидирующей среди ТММ в почвах г. Северобайкальска Sb является органическое вещество, содержание которого неодинаково в разных функциональных зонах города. Уровень накопления Sb максимален в наименее обогащенных С_орг почвах (1.3%), что нетипично для природных почв. Это связано с тем, что на наиболее загрязненных участках вблизи главных источников выбросов ТММ почвы сильно трансформированы и содержат минимальное количество органических веществ. При концентрации С_орг > 1.3% накопление Sb в почвах определяется количеством оксидов Fe – при их содержании >7.1% содержание Sb повышается в 2.4 раза. При более низком содержании Fe сильное влияние на аккумуляцию Sb оказывают кислотно-основные условия. В щелочной среде (рН > 7.9) содержание Sb в почвах увеличивается в среднем в 2.1 раза.

Аккумуляция Pb в городских почвах контролируется функциональным назначением территории. По уровню загрязнения выделяются загрязненные селитебная многоэтажная, рекреационная и транспортная зоны со средним содержанием Pb 28.1 мг/кг и более интенсивно загрязненные промышленная и селитебная усадебная со средним содержанием 42.0 мг/кг, что говорит о наличии в г. Северобайкальске нескольких техногенных источников Pb. Повышенное (EC_1:5 > 115 мкСм/см) содержание легкорастворимых солей в почвах промышленной и усадебной жилой зон сопровождается увеличением содержания Pb в 1.7 раза. В селитебной многоэтажной, рекреационной и транспортной зонах различия в уровнях накопления Pb определяются оксидами Fe – в диапазоне их концентраций 6.4–6.9% содержание Pb увеличивается до 35.8 мг/кг.

Распределение W связано с гранулометрическим составом почв: максимальные содержания металла (4.3 мг/кг) выявлены при содержании физической глины 17.6–18.4% в почвах жилой усадебной зоны. При более тяжелом гранулометрическом составе накопление W зависит от реакции среды: при рН > 8 его содержание в верхнем слое почв увеличивается в 1.3 раза. Повышенное содержание W (2.2 мг/кг) обнаружено также в супесчаных почвах промышленной и селитебных зон.

Таким образом, наиболее значимыми факторами накопления Sb, Pb, W в почвах Северобайкальска являются как принадлежность к той или иной функциональной зоне, так и почвенные свойства, определяющие сорбционную способность по отношению к ТММ: содержание физической глины, оксидов Fe и рН. Для Pb выявлено заметное увеличение накопления с ростом электропроводности водной вытяжки. Почвенное органическое вещество выполняет роль маркера: его низкий уровень приурочен к участкам с максимальным антропогенным воздействием.

Экологическая опасность загрязнения городских почв ТММ. Сравнение концентраций Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb с ОДК показало, что в зоне распространения супесчаных почв наибольшую экологическую опасность представляют Zn и Ni с превышением нормативов во всех исследуемых пробах, у As, Pb и Cu частота превышения нормативов также довольно высока – 58, 46 и 21%. Для территории с легкосуглинистыми почвами значения ОДК в 4 раза больше, так как реакция среды близка к нейтральной. Поэтому в этой части города санитарно-гигиенические нормативы для Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb не нарушались. Единичные превышения обнаружены у V (в 8.5% проб), V + Mn (4.3%), Cd (4.3%), Sb, Mn (2%).

Оценка степени экологической опасности загрязнения городских почв проведена также по суммарному загрязнению ТММ – показателю Zc, который уменьшается в ряду функциональных зон: селитебная усадебная (Zc 7.1) > транспортная (6.8) > промышленная (6.0) > селитебная многоэтажная (3.6) > рекреационная (3.3). Среднее значение показателя Zc для почв города равно 5.4, что позволяет отнести почвы города к категории очень слабого загрязнения. Анализ пространственного распределения показателя Zc в почвах города (рис. 4) позволил выделить две крупные аномалии: с умеренно-опасным загрязнением ассоциацией Sb₁₅As_2.9Bi_2.2 Sn_1.6Cu_1.6Pb_1.5 (Zc 20.6) вблизи очистных сооружений на юге и опасным уровнем загрязнения ассоциацией Sb_26.9Sn_2.7Pb_2.6Cd_2.1Cu_1.8Mo_1.6 (Zc 33.4) вблизи локомотивного депо на севере.

Рис. 4.

Суммарное загрязнение тяжелыми металлами и металлоидами верхнего (0–10 см) слоя почв г. Северобайкальска.

По уровню загрязнения большая часть (83%) территории города характеризуется практически незагрязненными ТММ почвами (Zc < 8), 10.6% – загрязненными неопасно (Zc 8–16), 4.3% – умеренно опасно (Zc 16–32) и 2.1% – опасно загрязненными. Наибольшим загрязнением отличаются селитебная усадебная и промышленная зоны, треть их площади занимают почвы со слабым и умеренно опасным уровнями загрязнения (рис. S4 ). Почвы рекреационной и жилой многоэтажной зон относятся к категории практически незагрязненных. Такая экологическая ситуация во многом определяется возрастом застройки – промышленная зона и усадебная застройка существуют с момента возникновения города, тогда как многоэтажная застройка и рекреационная зона появились относительно недавно.

Дифференциация городских почв по суммарному загрязнению ТММ зависит от их свойств (рис. 5). Максимальным загрязнением отличаются почвы с низким содержанием органического вещества (С_орг < 1.5%), в основном в многоэтажной жилой и транспортной зонах. Почвы с низким содержанием С_орг маркируют участки с высокой техногенной нагрузкой и отсутствием растительности. При С_орг > 1.5% накопление поллютантов усиливается с ростом содержания оксидов Fe. Если их меньше 6.8%, то выделяются 3 группы в зависимости от гранулометрического состава и реакции среды. В супесчаных почвах наблюдается повышенное содержание ТММ, что можно объяснить близостью к источникам загрязнения. При более тяжелом гранулометрическом составе аккумуляция ТММ зависит от реакции среды: в щелочном диапазоне (рН > 7.8) она почти в 2 раза больше, чем при более низких значениях рН.

Рис. 5.

Факторы (в овалах) накопления тяжелых металлов и металлоидов в верхнем (0–10 см) слое почв г. Северобайкальска. Для конечных узлов (в прямоугольниках) приводится среднее значение суммарного показателя загрязнения Zc, коэффициент вариации Cv и число точек опробования n.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приоритетными загрязнителями ТММ верхнего слоя почв г. Северобайкальска являются три элемента – Sb, Pb, и W с коэффициентами накопления относительно фонового уровня Кс 2.7; 1.6; 1.5 соответственно. Природные почвы отличаются низким содержанием большинства ТММ, они обогащены только Mn (КК 2.4) и Zn (КК 1.6), что объясняется их биогенной аккумуляцией в гумусовом горизонте. Наиболее загрязненными являются почвы транспортной, промышленной и селитебной усадебной зон. В первых двух интенсивно накапливаются Sb, Pb, Cu, в усадебной застройке – Sb, W, Pb, Cd, Zn.

В почвах города ТММ образуют три ассоциации: V–Cr–Co–Ni ← Mn; Zn–Cd–Pb; Sn–Sb–Mo, поступающие из общих источников и обладающие сходным пространственным распределением. Не ассоциируются с другими элементами As, Bi, Cu и W. Приоритетные поллютанты Sb, Pb, W образуют в почвах несколько крупных аномалий разной площади и контрастности. Самой загрязненной Sb является транспортная зона, Pb преобладает в промышленной зоне, а W – в селитебной усадебной. Основными источниками загрязнения почв ТММ являются Центральная ТЭЦ и котельные, железнодорожный и автотранспорт, локомотивное депо, производство строительных материалов, очистные сооружения и свалки.

Главными факторами аккумуляции ТММ в верхнем слое почв являются повышенное содержание оксидов Fe и пониженное С_орг, рН, а также функциональное назначение территории, определяющее источники и уровень техногенного воздействия на почвы. Антропогенное воздействие привело к трансформации основных свойств городских почв – подщелачиванию, засолению, изменению содержания органического вещества, утяжелению гранулометрического состава, которое усилило их способность к закреплению ТММ.

Экологическая опасность загрязнения почв ТММ в целом для города невелика: 89% территории считается незагрязненной (Zc < 8). Наибольшим загрязнением отличаются селитебная усадебная и промышленная зоны, треть их площади занимают почвы со слабым (Zc 8–16) и умеренно опасным (Zc 16–32) уровнями загрязнения. Образование нескольких контрастных полиэлементных аномалий в почвах этих функциональных зон города создает реальные предпосылки для поступления токсичных металлов с поверхностным и внутрипочвенным стоком в воды р. Тыи и уникальной экосистемы озера Байкал.