Почвоведение, 2023, № 11, стр. 1472-1488

ВВЕДЕНИЕ

В индустриальном и постиндустриальном обществе геохимической сущностью процесса техногенеза является глобальная металлизация биосферы, в которой с каждым годом все более заметную роль играют тяжелые металлы, в том числе обладающие экотоксическими свойствами [14]. Главной депонирующей средой для тяжелых металлов в наземных ландшафтах служат почвы, а наиболее интенсивные и комплексные техногенные геохимические аномалии, как правило, формируются в почвах урбанизированных территорий, где сконцентрированы такие источники загрязнения, как промышленное производство, теплоэнергетика, транспорт, коммунальное хозяйство и др. [14, 24]. При этом благодаря прочной, в том числе необменной, сорбции многих тяжелых металлов минеральными и органическими компонентами мелкозема, ореолы техногенного загрязнения почв сохраняются в течение очень длительного времени и могут обнаруживаться спустя много лет после ликвидации источника поступления экотоксикантов в окружающую среду [25], создавая так называемый “накопленный вред” и высокие экологические риски для населения. Степень загрязнения почв тяжелыми металлами зависит как от природно-климатических особенностей местности, так и от социально-экономической и планировочной специфики городских поселений, включая исторический аспект их образования и региональную специфику урбанистики [20].

Одним из наиболее типичных по показателям урбанизации и промышленности регионов России является Приволжский федеральный округ (ФО), доля городского населения в котором составляет 72.3% при средних показателях для РФ 74.7%, а общий валовый региональный продукт достигает ≈15% от общероссийского показателя [18]. Производственная специализация Приволжского ФО ориентирована на топливно-энергетический комплекс, химическую и нефтехимическую промышленность, машиностроение и металлообработку, легкую и пищевую промышленность [23]. В настоящее время в Приволжском ФО насчитывается 200 городов, а с учетом поселков городского типа их численность достигает 451 [17]. Более чем в 20 из них с середины прошлого века силами Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) проводится мониторинг среднего и максимального уровней накопления в почвах токсикантов промышленного происхождения, в том числе регулярный контроль уровней накопления тяжелых металлов.

Минерально-сырьевая база региона занимает заметное место в структуре разведанных запасов черных, цветных и редкоземельных металлов России. В частности, на территории республики Башкортостан и Оренбургской области расположено: 30 коренных медно-колчеданных и медно-кобальтовых месторождений, добыча Cu составляет ≈24% от добычи в РФ; 32 месторождения Zn, ассоциированного с медно-колчеданными рудами, добыча которого составляет ≈22% от добычи в РФ; 6 месторождений силикатного Ni, балансовые запасы металла в которых составляют ≈6% от российских, однако добыча никелевых силикатных руд с 2013 г. приостановлена вследствие низкой рентабельности; попутные рудопроявления Cd встречаются на медных и цинковых месторождениях Приволжского ФО [5]. Вместе с тем Приволжский ФО занимает последнее место среди регионов по запасам и добыче свинцовых руд. Таким образом, для восточной части региона характерна халькофильно-сидерофильная геохимическая специализация, которая определяет относительное повышение в покровных отложениях и, соответственно, почвах региональных фоновых концентраций ряда тяжелых металлов.

При этом вследствие большой протяженности территории Приволжского ФО в широтном и меридиональном направлениях, а также благодаря длительной истории ее освоения человеком посты мониторинга состояния почв Росгидромета охватывают значительное разнообразие природно-географических условий местности и урбанистических особенностей населенных пунктов (табл. 1). В наблюдательную сеть входят: а) древние города, образовавшиеся в основном в периоды формирования централизованного Московского государства и Российской империи как укрепленные пункты-крепости, многие из которых в настоящее время превратились в города-миллионеры (Казань, Нижний Новгород, Самара, Уфа) или крупные города (Оренбург, Орск, Пенза), тогда как другие обладают меньшей численностью населения (Арзамас, Бирск); б) малые, средние и большие города, основанные в XVIII в. как транспортные узлы (Давлеканово, Дзержинск (бывш. Черное), Мелеуз, Стерлитамак) или центры добычи и переработки металлических руд (Белебей, Благовещенск); в) преимущественно средние города советского периода с доминирующей нефтехимической (Кстово, Новочебоксарск, Октябрьский, Салават), нефте- и угледобывающей (Ишимбай, Кумертау) или металлургической (Медногорск) промышленной специализацией. При этом согласно Распоряжению Правительства РФ от 29 июля 2014 г. № 1398-р “Об утверждении перечня монопрофильных муниципальных образований Российской Федерации (моногородов)” (ред. от 21.01.2020), четыре поста мониторинга приурочены к моногородам, среди которых Белебей и Кумертау относятся к категории населенных пунктов с наиболее сложным социально-экономическим положением – в том числе создающимся за счет высоких экологических рисков для населения (в Медногорске имеются риски ухудшения социально-экономических условий, и только Благовещенск характеризуется стабильной социально-экономической ситуацией). Для улучшения условий жизни населения в городах Белебей, Кумертау и Благовещенск в 2016–2019 гг. были приняты Постановления Правительства РФ по отнесению их к территориям опережающего развития с особыми условиями для организации несырьевого производства, способствующими привлечению инвестиций и обеспечению ускоренного социально-экономического развития (Федеральный закон “О территориях опережающего социально-экономического развития в Российской Федерации” от 29.12.2014 N 473-ФЗ).

Целью настоящего исследования был сопряженный анализ официальных данных Росгидромета по текущим уровням загрязненности городских почв Приволжского ФО и сведений Федеральной службы государственной статистики (Росстат) по социально-экономическим характеристикам городов.

Именно на основании получаемых официальных данных органы исполнительной власти РФ принимают управленческие решения и разрабатывают программы комплексного развития территорий, включая меры по обеспечению экологической безопасности, в том числе по охране и рекультивации почв.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

В качестве исходных данных использовали официальные сведения по эколого-геохимической характеристике городских почв Приволжского ФО, представленные в ежегодниках “Загрязнение почв Российской Федерации токсикантами промышленного происхождения” за период 2017–2021 гг. по [9–13], а также агрегированные в базе данных НПО “Тайфун” (головная организация Росгидромета по мониторингу состояния и загрязнения почв тяжелыми металлами и пестицидами) показатели содержания тяжелых металлов в почвах городов Поволжья. Согласно разработанному Росгидрометом регламенту мониторинга, методической основой проведения исследований является руководящий документ (РД) 52.18.718-2008 “Организация и порядок проведения наблюдений за загрязнением почв токсикантами промышленного происхождения”, основанный, в свою очередь, на ГОСТ 17.4.3.01-2017 “Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб”. На территориях городов пробные площадки размерами от 10 × 10 до 20 × 20 м² (в зависимости от планировочных особенностей территории) располагаются по равномерной сетке с расстояниями между центрами ближайших пробных площадок примерно 1 км. На каждой пробной площадке методом конверта отбирается объединенная проба почвы, состоящая не менее чем из 5 индивидуальных поверхностных образцов, взятых с глубины 0–5 см (возможен также отбор дополнительной пробы с глубины 5–20 см). Анализ содержания тяжелых металлов в городских почвах проводится силами территориальных подразделений Росгидромета на основе требований РД 52.18.595-96 “Федеральный перечень методик выполнения измерений, допущенных к применению при выполнении работ в области мониторинга загрязнения окружающей природной среды”, с определением валовых (кислоторастворимых) подвижных и водорастворимых тяжелых металлов с помощью атомно-адсорбционного анализа.

В настоящем исследовании использовали сведения по содержанию валовых форм соединений тяжелых металлов, так как данные по подвижным и водорастворимым формам являются фрагментарными и не позволяют провести сравнительный анализ эколого-геохимического состояния почв отдельных городов Приволжского ФО. Поскольку в материалах Росгидромета не приводится сведений о генезисе и морфологическом строении профилей опробованных почв и/или техногенных почвоподобных образований, все почвенные разности условно называли урбопочвами.

Выбор социально-экономических показателей, учтенных при анализе особенностей загрязнения почв городов Приволжского ФО, обусловливался их прямой или косвенной принадлежностью к потенциальным источникам загрязнения почв (численность и плотность населения города – коммунальная нагрузка; плотность автодорожной сети – приземные выбросы в атмосферу от передвижных источников; количество объектов, имеющих стационарные источники выбросов, объемы ежегодных выбросов в атмосферу, доля в них твердых веществ – выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников; год основания города – длительность антропогенной нагрузки), либо принадлежностью их к показателям, в некоторой мере зависимым от качества окружающей среды (естественный прирост населения). Значения учтенных показателей принимались на основе статистических данных, публикуемых в ежегодниках “Регионы России. Социально-экономические показатели” [18], “Регионы России. Социально-экономические показатели городов” [17], а также паспортов муниципальных образований за 2021 г., размещенных на официальном сайте Росстата (https://www.gks.ru/dbscripts/munst/).

Современные уровни накопления тяжелых металлов в урбопочвах исследуемых городов оценивались на основе критериев превышения ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) с учетом гранулометрического состава и кислотности почв, а также по величине показателя комплексного полиметаллического загрязнения почв Zc (СанПиН 1.2.3685-21 “Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания” (Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28.01.2021 № 2)). Предпочтительность использования величин ОДК по сравнению с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) определялась возможностью учета в этом случае типологических особенностей зональных почв, что важно для более точной оценки экологических рисков [21].

Показатель комплексного загрязнения почв тяжелыми металлами определялся несколькими способами:

а) стандартным методом, предложенным в работе [19] и включенным в нормативно-правовую документацию по оценке экологического состояния почв, с учетом кратности превышения наблюдаемых величин концентраций элементов в опробованных урбопочвах над ориентировочными фоновыми уровнями накопления тяжелых металлов в соответствующих зональных почвах по формуле:

где Kс_i – коэффициент концентрации i-того контролируемого элемента в урбопочвах по отношению к ориентировочному природному фону, определенному по СанПиН 1.2.3685-21 “Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания” (Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28.01.2021 № 2); n – количество элементов со значениями Kс_i > 1;

б) по модифицированной Ю.Н. Водяницким формуле [4] с учетом степени токсичности тяжелых металлов, для которых Kс_i(ф) > 2, по ГОСТ 17.4.1.02-83 “Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения”:

где Kt_i – поправочный коэффициент токсичности контролируемого элемента, который принимался как 1.5 для элементов 1 класса опасности (Cd, Pb и Zn) и как 1.0 для элементов 2 класса опасности (Cu и Ni);

в) на основе сравнения эколого-геохимических показателей накопления тяжелых металлов в урбопочвах Приволжского ФО с их кларковыми значениями в городских почвах РФ:

где Kс_i(u) – коэффициент концентрации i-того контролируемого элемента в урбопочвах Приволжского ФО по отношению к его кларку в почвах городов с разным количеством жителей, принятым согласно исследованию [1]; n – количество тяжелых металлов со значениями Kс_i(u) > 1.

При анализе комплексного загрязнения городских почв тяжелыми металлами дополнительные индексы Zс(t) и Zс(u) были введены наряду с нормативно закрепленным Zс: а) для оценки количественного изменения значений показателя и ранжирования ведущих элементов загрязнения в случае введения в формулу расчета поправочных коэффициентов, учитывающих степень токсичности отдельных тяжелых металлов, б) для выявления особенностей аккумуляции тяжелых металлов в урбопочвах Приволжского ФО по сравнению с усредненными характеристиками городских почв России, соответственно. При этом эколого-геохимическую оценку с определением категорий загрязнения урбопочв Приволжского ФО тяжелыми металлами проводили только по утвержденному нормативному показателю Zс на основе требований СанПиН 1.2.3685-21.

При вариационно-статистической обработке данных базовые описательные характеристики определяли в программе Microsoft Excel 2007. Многомерный статистический анализ данных и их визуализацию осуществляли на основе пакета прикладных программ Statistica 10.0.1011 (StatSoft). Иерархическую агломеративную кластеризацию выполняли с предварительной стандартизацией данных, не содержащих пропуски, и построением дендрограмм сходства методом невзвешенного попарного среднего по метрике евклидова расстояния. Нумерацию кластеров по характерным уровням накопления тяжелых металлов в урбопочвах Приволжского ФО по сравнению с природным геохимическим фоном и кларками городских почв России производили в порядке возрастания средних величин показателей Zc и Zc(u) соответственно. Факторный анализ осуществляли на основе метода главных компонент с выбором четырех значимых факторов нагрузки по критерию “каменистой осыпи” с объяснением 77% дисперсии.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Согласно результатам, полученным наблюдательной сетью Росгидромета в период 2017–2021 гг., содержание тяжелых металлов в урбопочвах Приволжского ФО существенно варьирует по пунктам наблюдений (табл. 2). Размах величин средних концентраций составляет: Cd – 0.1–6.1 мг/кг, Pb – 5–93 мг/кг, Zn – 13–404 мг/кг, Cu – 5–200 мг/кг, Ni – 5–200 мг/кг; размах величин максимальных концентраций поллютантов, фиксируемых на отдельных мониторинговых постах, часто еще больше и составляет для Cd 0.1–27.4 мг/кг; для Pb – 33–383 мг/кг; для Zn – 54–1886 мг/кг; для Cu – 20–450 мг/кг; для Ni – 27–358 мг/кг. При этом наиболее контрастная эколого-геохимическая ситуация между уровнем накопления тяжелых металлов в почвах городов Приволжского ФО отмечается в отношении Cd (коэффициенты вариации показателя Cv для средних и максимальных значений концентраций элемента оцениваются как ≈140% при р = 0.95), наименее различаются уровни накопления в почвах отдельных городов Pb и Ni (Cv 58–72% при р = 0.95).

Оценка текущих уровней аккумуляции тяжелых металлов в урбопочвах Приволжского региона с позиции санитарно-гигиенического нормирования (рис. 1) выявила определенные экологические риски в отношении накопленных в почвах количеств экотоксикантов I класса опасности для жителей таких городов, как Белебей, Давлеканово и Дзержинск (по средним концентрациям в почвах Cd), а также Арзамаса, Медногорска и Пензы (по средним концентрациям в почвах Zn). Степень моноэлементного загрязнения почвенного покрова этих населенных пунктов – при кратности превышений величин ОДК в ≈3 и ≈1.2–2 раза, соответственно, – определяется как очень сильная из-за высокой токсичности соединений этих элементов для человека по ГОСТ 17.4.1.02-83 “Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения”. Большинство городов Приволжского ФО с повышенными концентрациями Cd и Zn в почвах имеет относительно небольшой возраст (100–300 лет), малую или среднюю численность населения, относится к моногородам, которые образовались вокруг одного или нескольких градообразующий предприятий машиностроительной или металлургической производственной направленности (Белебеевский завод “Автонормаль”, Белебеевский машиностроительный завод, Медногорский медно-серный комбинат и др.). При этом средние концентрации такого распространенного поллютанта I класса опасности, как Pb, маркирующего разнообразные антропогенные источники загрязнения, включая автомобильный транспорт, в почвах всех городов Приволжского региона с действующими постами мониторинга Росгидромета не превышают величины ОДК.

Для поллютантов II класса опасности средние уровни накопления в урбопочвах Приволжского региона соединений Cu превышают ОДК ≈ в 1.5 раза лишь в единственном “профильном” по своей геохимической специализации моногороде Медногорск, что соответствует сильной степени загрязнения почв. В то же время средние концентрации Ni систематически возрастают до 1.1–2.9-кратной величины ОДК (сильная степень загрязнения) в почвах городов Республики Башкортостан: Мелеуз, Давлеканово, Кумертау, Ишимбай, Октябрьский, Салават, Туймазы, Бирск, подавляющая часть которых относится к малым или средним.

В целом наиболее удовлетворительное санитарно-гигиеническое состояние урбопочв фиксируется в крупнейших и крупных городах региона. За исключением Пензы все они входят в список населенных пунктов (Благовещенск, Казань, Кстово, Нижний Новгород, Новочебоксарск, Оренбург, Орск, Самара, Стерлитамак, Уфа), где текущие средние уровни накопления в почвах тяжелых металлов I и II классов опасности ниже величин ОДК по всем контролируемым показателям.

Одновременное повышение уровней содержания в почвах нескольких тяжелых металлов может создавать определенные экологические риски для здоровья населения даже при незначительных превышениях величин ОДК (ПДК), которые многократно возрастают при дальнейшем росте комплексного техногенного прессинга [19]. Оценка полиэлементного загрязнения урбоэкосистем Приволжского ФО приоритетными тяжелыми металлами по их среднему содержанию в почвах (табл. 3) показала, что по сравнению с ориентировочным фоном в таких городах как Белебей (моногород), Давлеканово, Дзержинск, Медногорск (моногород) и Пенза сложилась умеренно опасная ситуация (Zc соответствует интервалу 16–32). В других городах Приволжского региона, где проводятся мониторинговые наблюдения Росгидромета, уровень полиэлементного загрязнения почв тяжелыми металлами в настоящее время определяется как допустимый (Zc ≤ 16) (рис. 2).

При полиэлементном характере ореолов аккумуляции тяжелых металлов ведущим элементом загрязнения, как правило, служит Cd, реже – Ni, еще реже – Pb. Их содержание в почвах урбоэкосистем Приволжского региона с умеренно опасной категорией комплексного загрязнения возрастает по сравнению с ориентировочными фоновыми показателями в 5–25, 2–5 и 2–3 раза соответственно. В единичных случаях в городских почвах наиболее выражены антропогенные геохимические аномалии Cu (Медногорск, Kс_Cu = 8) или Zn (Орск, Kс_Zn = 3). Участие остальных тяжелых металлов в составе дополнительных элементов загрязнения (с Kс_i > 2) отражает геохимический спектр нагрузки на окружающую среду городов Приволжского региона, который в основном зависит от количества и специализации производственных предприятий. В частности, наиболее многокомпонентное полиметаллическое загрязнения почв формируется в городах с разными урбанистическими характеристиками – Давлеканово, Кумертау, Орск, Пенза и Уфа. В то же время для почв древних и густонаселенных Казани, Нижнего Новгорода, а также менее крупных Арзамаса, Ишимбая, Дзержинска характерны “короткие” спектры загрязнения, состоящие из 1–2 ведущих компонентов.

При оценке комплексного загрязнения урбопочв Приволжского ФО по показателю Zс(t) с дифференцированным учетом токсичности тяжелых металлов численные значения параметра увеличиваются по сравнению со стандартным показателем Zс до 1.5 раз в случае ярко выраженного доминирования в геохимическом спектре загрязнения экотоксикантов I класса опасности с Kс_i > 20, но мало изменяются при меньшей степени концентрирования в городских почвах соединений Cd, Zn или Pb, или изначальном преобладании в спектре загрязнения элементов II класса опасности. При этом в соответствии с методикой расчета показателя Zс(t) элементы I класса опасности, как правило, приобретают ведущую роль, что акцентирует внимание на их аккумуляции в урбопочвах.

При сопоставлении характеристик урбопочв Приволжского ФО с соответствующими усредненными показателями накопления тяжелых металлов в почвах городов России с разным количеством жителей (критерий, положенный в основу расчета кларков городских почв В.А. Алексеенко и А.В. Алексеенко [1]) в ранге малых городов с населением до 100 тыс. жителей резкое возрастание показателя Zс(u) отмечается в Мелеузе, Давлеканово и Медногорске (в 12–13 раз); в ранге городов с населением от 100 до 300 тыс. человек – в Октябрьском и Орске (в 5–8 раз); в ранге городов с населением от 300 до 700 тыс. человек – в Пензе (в 6 раз). Напротив, средние уровни содержания тяжелых металлов в почвах городов-миллионеров Приволжского ФО (Казань, Нижний Новгород, Уфа, Самара), менее заметно отклоняются от общероссийских показателей, что может определяться как современным трендом к выводу большинства экологически опасных производств за пределы крупнейших населенных пунктов, так и регулярно проводимыми в них мероприятиями по замене наиболее загрязненных поверхностных слоев почв “чистыми” массами торфосмесей и/или искусственных почвогрунтов. Среди крупных городов региона наиболее близкими к среднестатистическим для России параметрам накопления в почвах тяжелых металлов обладает Оренбург, среди средних – Арзамас, среди малых – Благовещенск (моногород) и Кстово, в которых показатель Zс(u) не превышает 2.

Формулы загрязнения городских почв Приволжского ФО, составленные на основе величин Kc(u)_i, как правило, отличаются присутствием Ni в качестве ведущего элемента. В частности, для урбопочв Бирска, Ишимбая, Оренбурга, Салавата, Стерлитамака, Туймаз и Уфы такое положение может определяться ростом контрастности региональной геохимической аномалии Ni за счет наличия производств по добыче и переработке цветных металлов, а также металлоносной нефти.

В целом пространственно-территориальные особенности ореолов загрязнения урбопочв Приволжского ФО тяжелыми металлами и доминирование в комплексе поллютантов тех или иных элементов определяются, скорее всего, не общим уровнем антропогенной нагрузки по показателю численности населения, но в большей степени – региональной геохимической обстановкой и спецификой предприятий, сосредоточенных в отдельных городах. В этой связи не обнаруживается четко детерминированных связей между концентрациями тяжелых металлов в почвах и урбанистическими характеристиками населенных пунктов. Коэффициенты корреляции Стьюдента r² между показателями Zс, Zс(t) и Zс(u), с одной стороны, и такими характеристиками, как возраст города, численность и плотность его населения, количество стационарных источников выбросов, общий объем выброшенных в атмосферный воздух загрязняющих веществ и количество твердых веществ в их составе, с другой стороны, колеблются в диапазоне от –0.42 до 0.19 при p = 0.95, что свидетельствует о слабой или умеренной тесноте парных связей.

В то же время использование многомерных статистических методов для сопряженного анализа данных по средним уровням накопления в урбопочвах тяжелых металлов и социально-экономическим показателям городов способствует выявлению ряда интересных закономерностей. Так, иерархическая агломеративная кластеризация, проведенная на основании величин Kс_i и Zc, позволяет объединить почвы городов Приволжского ФО в 4 группы (рис. 3a).

Базовый I кластер характеризуется множественностью и объединяет урбопочвы 18 городов Приволжского региона (включая моногорода Благовещенск и Кумертау), в которых усредненное содержание тяжелых металлов в основном не превышает 2-кратной величины их ориентировочных фоновых концентраций, а суммарный показатель загрязнения соответствует допустимому уровню (рис. 3b). Существенное повышение содержания в почвах Пензы соединений Cd и Zn (Kс_Cd ≈ 8, Kс_Zn ≈ 6) при незначительно различающихся с почвами I кластера уровнях накопления Ni, Cu и Pb определяет выделение этих урбопочв в отдельный II кластер с переходной степенью их комплексного загрязнения тяжелыми металлами от допустимой до умеренно опасной. Аналогично, резкое возрастание концентраций в почвах содержания Cu (Kс_Cu ≈ 8) и сопутствующих медно-колчеданным рудам Zn и Pb (Kс_i ≈ 5–6) выделяет в отдельный III кластер почвы моногорода Медногорск с умеренно опасным уровнем комплексного загрязнения тяжелыми металлами. Наконец в почвах Дзержинска, Давлеканово и Белебея (моногород), вошедших в IV кластер, настолько резко повышены средние концентрации валового Cd (Kс_Cd ≈ 27), что даже при близком к геохимическому фону содержании остальных контролируемых тяжелых металлов степень комплексного полиэлементного загрязнения городских почв по показателю Zc оценивается как умеренно-опасная, приближающаяся к опасной.

Поиск причинно-следственных связей между накоплением в почвах городов тяжелых металлов и их усредненными по кластерам урбанистическими характеристиками (рис. 3e) выявляет, что, несмотря на существенные различия в численности и плотности населения городов I кластера, их нормализованные показатели близки к “центральному” образу. Вместе с тем Пенза (II кластер) характеризуется относительно меньшим значением общего коэффициента рождаемости и повышенным коэффициентом смертности. Молодой моногород Медногорск (III кластер) с наименьшей плотностью населения отличается более низкими значениями всех включенных в анализ показателей, кроме общего коэффициента смертности – самого высокого в регионе. Города IV кластера (Дзержинск, Белебей (моногород) и Давлеканово), в почвах которых доминирует высокотоксичный Cd, вопреки ожиданиям, характеризуются относительно низкими показателями смертности населения. Безусловно, показатели рождаемости и смертности городских жителей зависят от множества факторов различной природы (уровень здравоохранения, миграция населения, половозрастной состав, факторы образа жизни, состояние окружающей среды и др.). Их нельзя однозначно интерпретировать как следствие загрязнения почв и сопредельных сред. Однако общепризнано, что среди факторов среды обитания, влияющих на здоровье населения, показатели эколого-геохимического состояния окружающей среды играют чрезвычайно важную роль [15, 16].

Кластеризация урбопочв Приволжского ФО на основе сопоставления содержания в них тяжелых металлов с кларками городских почв России (рис. 3b, 3d) при одновременном учете социально-экономических факторов (рис. 3f) выявила несущественные отличия эколого-геохимических показателей городских почв большинства населенных пунктов региона (17 городов) от усредненных характеристик, так как величины Kc(u)_i для Cd, Pb, Zn и Cu близки к 1. Исключением является 3-кратное увеличение среднего уровня содержания в урбопочвах I кластера соединений Ni, по-видимому, связанное с наличием природной геохимической аномалии в Оренбургской области и на территории Республики Башкортостан (рис. 2). Во II кластер попадают моногород Белебей, а также Давлеканово, Орск и Пенза, в почвах которых несколько повышено среднее содержание всех тяжелых металлов (Kc(u)_i ≈ 1.5) и особенно заметно – Cd и Ni (Kc(u)_i ≈ 3). При близких к стандартным характеристикам численности и плотности населения, а также густоты дорожной сети, в городах II кластера отмечаются сравнительно меньшие значения коэффициента рождаемости и большие – общего коэффициента смертности. Эколого-геохимическая уникальность моногорода Медногорск (III кластер) выявляется не только при сравнении с типологическими характеристиками фоновых зональных почв, но и при сопоставлении его с другими малыми городами России, что сопровождается высоким уровнем накопления в почвах города соединений Cu (Kc(u)_Cu ≈ 7). Показатели рождаемости и смертности населения в этом кластере приобретают экстремальные значения среди городов, включенных в наблюдательную сеть Росгидромета. В свою очередь, Мелеуз (IV кластер) отличается от других средних по числу жителей городов России повышенными концентрациями в почвах соединений Ni (Kc(u)_Ni ≈ 13), которые превосходят уровни накопления элемента в урбопочвах других городов Башкортостана и могут отражать наложение антропогенной геохимической аномалии на расширенный природный фон. Социально-экономические характеристики при этом слегка отклоняются от общероссийских в части организации жизненного пространства города (компактность планировки, высокая плотность дорожной сети), но при показателе рождаемости, близкой к среднестатистической, общий коэффициент смертности населения в Мелеузе несколько меньше, чем в других кластерах городов.

Визуализация массива данных по эколого-геохимическим и социально-экономическим показателям городов Приволжского ФО на основе метода главных компонент выявляет схожую с полученной при кластеризации структуру распределения групп объектов по осям ординации (рис. 4a, 4b). При этом большинство накопленных в урбопочвах Приволжского ФО халькофильных тяжелых металлов (Pb, Zn, Cu, в меньшей степени Cd), как и показатель Zc, обнаруживают тесную положительную связь между собой, а также с общим коэффициентом смертности населения по первой оси ординации. В то же время отмечается отрицательная корреляция между сонаправленными градиентами содержания в почвах Cd, величины Zc и коэффициентом смертности населения, с одной стороны, и общим коэффициентом рождаемости, а также плотностью дорожной сети, с другой. Если при этом динамика числа жителей (по показателям рождаемости и смертности) логично увязывается с эколого-геохимической характеристикой урбопочв, то обратные тренды между показателем комплексного загрязнения почв и плотностью дорожной сети могут определяться меньшей развитостью транспортной инфраструктуры промышленных городов. Характерно, что уровни содержания в городских почвах сидерофильного Ni не коррелируют ни с остальными халькофильными тяжелыми металлами, ни с каким-либо из учтенных социально-экономических показателей городов, проецируясь непосредственно на вторую ординационную ось, по которой группируется большинство городов Республики Башкортостан и Оренбургской области, что подтверждает предположение о петрогенном характере повышения регионального фона Ni в почвах и породах данной территории.

Третий и четвертый основные компоненты позволяют разделить тяжелые металлы, контролируемые в урбопочвах Приволжского ФО, на группы Cu–Zn, Ni–Pb и Cd, формирование которых, по-видимому, определяется региональной металлогенией, а также производственной геохимической специализацией городов (рис. 4d). Характерно, что по третьей главной ординате уровни накопления в городских почвах Cd отчетливо коррелируют с показателем комплексного загрязнения урбопочв Zc, но в данной проекции они меньше связаны с общим коэффициентом смертности населения, чем, например, показатели аккумуляции в почвах Cu и Zn. Необходимо отметить, что хотя согласно ГОСТ 17.4.1.02-83 “Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения” Cu относится к элементам II класса с умеренной опасностью накопления в почвах, на рубеже XX и XXI вв. в Программе ООН по окружающей среде (ЮНЕП) он был причислен к наиболее опасным экотоксикантам, требующим пристального внимания при проведении мониторинга состояния почв. Таким образом, можно согласиться с мнением Ю.Н. Водяницкого [3] о возможности пересмотра параметров токсичности для человека и биоты ряда тяжелых металлов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мониторинговая сеть Росгидромета по контролю текущих уровней накопления тяжелых металлов в урбопочвах охватывает около 10% городов Приволжского ФО с различными социально-экономическими характеристиками. Согласно проанализированным официальным данным, эколого-геохимические показатели почв большинства городов региона близки к общероссийским кларкам для Cd, Pb, Zn и Cu, а по санитарно-гигиеническим нормативам степень моноэлементного и комплексного загрязнения почв этих населенных пунктов в настоящее время оценивается как “допустимая”. “Умеренно опасная” степень комплексного загрязнения урбопочв тяжелыми металлами отмечается в городах Белебей (моногород), Давлеканово, Дзержинск, Медногорск (моногород) и Пенза. При этом доминантным элементом загрязнения почв в Белебее, Давлеканово и Дзержинске служит Cd, накопление которого явным образом не коррелирует с демографическими показателями; в Пензе – одновременная аккумуляция в почвах Cd и Zn сочетается с относительным снижением рождаемости и повышением смертности; а заметное накопление в урбопочвах Медногорска соединений Cd, Zn и особенно Cu сопровождается показателями минимальной в регионе рождаемости и максимальной смертности населения. В целом метод главных компонент выявляет сонаправленность градиентов увеличения концентраций в почвах городов Приволжского ФО Cd, Pb, Zn, Cu и суммарного показателя полиэлементного загрязнения Zc, с одной стороны, и снижения естественного прироста населения, с другой. Это актуализирует как разработку общих мер по охране окружающей среды от химического загрязнения, так и проведение непрерывных мониторинговых наблюдений за уровнем содержания в почвах токсикантов промышленного происхождения.

Для почв преимущественно малых и средних городов Республики Башкортостан и ряда городов Оренбургской области характерна Ni геохимическая специализация, которая может приводить к их моноэлементному загрязнению, но не сопровождается заметным влиянием на состояние здоровья населения.

Наиболее благоприятные показатели текущих уровней накопления тяжелых металлов I и II классов опасности, которые не создают масштабных экологических рисков, характерны для почв крупнейших и крупных городов Приволжского ФО, что, возможно, определяется повышенным вниманием к вопросам охраны окружающей среды в населенных пунктах с большим количеством жителей.

В целом комплексный учет эколого-геохимических и социально-экономических показателей урбанизированных территорий представляется перспективным как для оценки интенсивности антропогенного прессинга на почвы городов, так и для анализа возможных причинно-следственных связей между уровнями загрязнения почв и состоянием здоровья населения. При этом использование дополнительных показателей Zс(t) и/или Zс(u) наряду с нормативно закрепленным показателем Zс для интегральной оценки полиметаллического загрязнения городских почв позволяет сфокусировать внимание на наиболее токсичных элементах I класса опасности, а также выявить эколого-геохимическую специфику накопления тяжелых металлов в почвах отдельного населенного пункта по сравнению с их кларковыми концентрациями в почвах городов России, что во многом способствует пониманию региональных особенностей антропогенной нагрузки на окружающую среду урбоэкосистем.