«ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ ГОРОДА ЧУСОВОГО: ОЦЕНКА И ДИАГНОСТИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального ...»

Сает [189] выделил две группы предприятий – загрязнителей природной среды тяжелыми металлами: 1) предприятия с высокой концентрацией металлов в составе выбросов – заводы металлургии; 2) предприятия с невысокими концентрациями металлов в составе выбросов, но с очень большим объемом выброса – например, цементные заводы.

А.С. Яковлев [231], проведя оценку экологического состояния почв в районе горно-металлургического комбината «Норильский никель», отмечал нарушение минерализации органического вещества почвы. Г.М. Кашулина [119] это явление объясняет связыванием органического вещества тяжелыми металлами в комплексы, что приводит к замедлению разложения органического вещества, а также угнетению микроорганизмов и ферментов, участвующих в разложении опада.

При увеличении содержания тяжелых металлов происходит изменение агрохимических свойств дерновоподзолистой почвы. Повышенное содержание тяжелых металлов приводит к снижению содержания подвижных форм N/NO3, P2O5 и K2O. В то же время было выявлено, что некоторые агрохимические свойства почв могут улучшаться, а, именно, снижается кислотность и увеличивается степень насыщенности почв основаниями [134].

В сфере воздействия металлургических заводов изменение химизма среды способствует изменению трофической структуры мезофауны и микробных сообществ, возрастает роль спороносных форм бактерий [154]. Установлено, что дождевые черви реагируют на загрязнение почв металлургическим производством снижением своей численности и биомассы [166]. Г.А. Евдокимовой [89] было изучено влияние выбросов алюминиевого завода «Североникель» Мурманской области на почвенную биоту. При слабом загрязнении тяжелыми металлами (Zn, Cr, Ni) количество бактерий и актиномицетов увеличивалось. Выявлено негативное воздействие на сообщества почвообитающих беспозвоночных, снижение таксономического и трофического разнообразия, общей биоты и ее численности. В центре загрязнения нарушатся микробный гомеостаз, происходит ингибирование роста чувствительных видов микроорганизмов и их биологической активности.

Интенсивность воздействия предприятий металлургии отражается в четырех последовательных реакциях почвенных микроорганизмов: 1) Сохранение микробиологического гомеостаза; 2) Изменение структуры сообщества с сохранением состава; 3) Полная замена состава прежних микроорганизмов на сообщества устойчивые к высоким концентрациям химических веществ; 4) Подавление роста и развития микроорганизмов [74].

В загрязненных металлургическим производством почвах, при общем подавлении жизнедеятельности большинства микроорганизмов, появляются устойчивые к тяжелым металлам виды спороносных грибов [89, 90, 222]. Вблизи металлургических комбинатов преобладающие виды грибов являются сильными токсинообразователями, и поэтому тяжелые металлы косвенно, через почвенные организмы, вызывают токсикоз почв [142].

Угнетение растительности в зоне действия металлургических заводов происходит вследствие поступления большого количества тяжелых металлов из атмосферного воздуха и загрязненных почв [42, 110, 249]. По мнению Ю.З. Кулагина [137], металлургическая пыль обладает подщелачивающим действием на листья растений. Загрязнение металлургической пылью приводит к увеличению нормы респирации, что установлено на примере растений пшеницы [27]. В результате у растений, выращенных на загрязненных тяжелыми металлами почвах, нарушаются циклы развития, происходит задержка или полное выпадение фенофаз [175]. Под воздействием техногенных массивов металлургических предприятий происходят глубокие отрицательные изменения в растительном покрове [224].

М.В. Пасыпановой [170] было установлено превышение допустимого уровня Pb, Cd, Cu и Zn на отвале литейного производства вблизи металлургического завода – «Литейное производство УБМ», что отразилось на состоянии растительности. Автор отмечает, что некоторая часть тяжелых металлов попадает в злаковые растения (кострец, мятлик, овсяница) через листовую поверхность из атмосферы. В корнях была обнаружена более высокая концентрация тяжелых металлов, чем в листьях. По данным Е.В. Каплуновой [114] и P.

Baumjohann [238], такие зеленые культуры, как листовой салат и капуста с большой площадью листовой поверхности способны активно накапливать тяжелые металлы из атмосферы. Тяжелые металлы в растениях, произрастающих на загрязненных почвах, обнаруживаются больше в вегетативной части, чем в репродуктивной [17]. Следует отметить, что в условиях постоянного загрязнения некоторые виды травянистых растений формируют металлоустойчивые популяции, образуя различные системы обеззараживания металлов внутри растений [131].

В надземной части сельскохозяйственных культур, выращенных на почвах в зоне выбросов предприятий цветной металлургии, обнаружено значительное накопление нитратов. Это явление, возможно, связано с усилением поглощения соединений азота растениями из загрязненных почв для детоксикации тяжелых металлов белками и аминокислотами [88].

Зерновые культуры, возделываемые на загрязненных металлургическим производством почвах, имеют низкое качество зерна, в их соломе накапливаются Fe, Zn и Pb [3].

Вблизи от металлургического предприятия было установлено максимальное снижение урожайности пшеницы на 12 ц/га по сравнению с фоновыми территориями [225]. Влияние предприятий черной металлургии в районе Донбасса отражается на увеличении степени засоренности посевов зерновых, также наблюдалось снижение клейковины и недоразвитость зерен в целом [96]. Исследования, проведенные в Болгарии, вблизи металлургического завода Пловдива, показали, что зерновые культуры по способности аккумулировать тяжелые металлы из почвы можно подразделить на умеренные (ячмень, рожь, тритикале) и сильные аккумуляторы (пшеница).

Считается, что в таких районах выращивание зерновых культур возможно только для переработки зерна в спирт, а соломы - в целлюлозу [234].

На сельскохозяйственных угодьях, расположенных вблизи предприятий металлургической отрасли, может происходить снижение урожайности отдельных сельскохозяйственных культур в разной степени. Сильнее снижение урожайности наблюдается у бобовых и картофеля, а зерновые культуры на техногенное загрязнение почв реагируют меньшим снижением урожайности [114]. В районе промышленных выбросов металлургического комбината польского города Гута J. Cuzzydlo [247] установил, что у зерновых культур содержание тяжелых металлов в соломе больше чем в зерне, а у клубней картофеля в кожице больше концентрация тяжелых металлов чем в мякоти. В петрушке, кормовой свекле концентрация тяжелых металлов значительно выше в листьях, чем в корнях и корнеплодах, так как металлополлютанты поступают в основном из атмосферы.

Опасность загрязнения почв пригородов металлургических центров заставила многих исследователей обратить внимание на качество получаемой там продукции [46, 110, 238]. Овощи, выращиваемые на агроландшафтах вблизи Череповецкого металлургического комбината, содержат Cd в количестве выше установленных значений ПДК [50]. На техногенно-загрязненных почвах отмечается повышенная концентрация нитратов в растениеводческой продукции [221]. В зоне влияния промышленного центра (г. Новотроицк Оренбургской области), состоящего из предприятий черной и цветной металлургии, Е.А. Важениной [27] установлено снижение содержания клетчатки, протеина и азота в томатах, огурцах и капусте и увеличение содержания сахара и зольности свеклы. Содержание тяжелых металлов в этих сельскохозяйственных культурах было выше ПДК.

Корма, полученные на угодьях в радиусе влияния предприятия металлургии, часто являются токсичными для сельскохозяйственных животных, а из-за потребления в пищу овощей, выращенных на приусадебных участках вокруг предприятий металлургической промышленности, создается опасность здоровью человека [46, 66, 254].

Высокое содержание тяжелых металлов в загрязненных Челябинским металлургическим комбинатом почвах оказывает влияние на биохимические показатели крови животных.

У крупного рогатого скота отмечается повышенное содержание Co, Ni и Pb в крови, что вызывает токсикоз коров, влияет на обменные процессы и приводит к расстройствам желудочно-кишечного тракта [180].

По мнению Т.И. Емельяненко [93], накопление тяжелых металлов в почве и компонентов ландшафта является одним из факторов развития онкологических и других экообусловленных заболеваний человека. Так, чрезвычайная экологическая ситуация наблюдается в городе Магнитогорске Челябинской области, где функционирует крупное металлургическое предприятие – «Магнитогорский металлургический завод». В районе действия этого предприятия в воздухе была выявлена высокая приземная концентрация Fe, Zn и Pb, которые комплексно поступают в организм человека. За 5 лет, с 1991 по 1996 год, в городе вырос показатель смертности в 1, раза [9]. В объектах окружающей среды города (вода, воздух и почва) Магнитогорска содержатся высокие концентрации Fe, Si, Cd, Ni, Be, Pb, Cr, что, по мнению В.С. Кошкиной [133], определяет общий канцерогенный фон.

Загрязнение почвенного покрова металлургическим производством, по сведениям большинства авторов, происходит через атмосферу. Поток загрязняющих веществ в воздухе распространяется в виде металлоносных аэрозолей и в дальнейшем оседает на поверхность почвы [3, 50, 70, 153, 175].

В районе действия предприятий черной металлургии «Кремиковци София» в Болгарии выбросы аэрозолей, поступающие в поверхностные горизонты почв, по составу преимущественно марганцевые и свинцовые [208]. Также известно, что вблизи металлургических заводов на поверхности почв оседают аэрозоли с преобладанием сульфидов тяжелых металлов [57, 221]. В зоне действия металлургического производства большое влияние на экосистемы оказывают выбросы пыли [68]. По данным G. Borka [239], металлургическая пыль может содержать около 52% Fe, 4% Mn и 0,02% Pb. По оценкам специалистов из США, ущерб сельскому хозяйству от загрязнения атмосферы за счет предприятий металлургии составляет 2 миллиарда долларов в год [248].

Металлургическая промышленность, по данным конца 70х годов ХХ века, выпуская 1 мнл. тонн готовой продукции, может выбрасывать в атмосферу около 75 тонн пыли ежесуточно. Металлургическая пыль имеет крупнодисперсный гранулометрический состав, и основная ее часть выпадает из атмосферы в почвы вблизи источника выбросов [85].

Особенности загрязнения почв металлами пылевых выбросов, по мнению В.А. Большакова [1993], таковы: 1) поступают через атмосферу поверхностно; 2) поток на почву обратно пропорционален расстоянию от источника выбросов;

3) обратный поток в атмосферу первоначально равен нулю;

4) все металлы – загрязнители сосредоточены в поверхностном слое почвы. В результате воздействия металлургических предприятий вокруг заводов образуются техногенные геохимические аномалии. Поскольку металлургические предприятия часто располагаются вблизи рудных аномалий, то возможно наложение техногенной аномалии на природную.

По определению А.И. Семячкова с соавторами [197], природная геохимическая аномалия – это участок поверхности земли, отличающийся существенно повышенными концентрациями каких-либо химических элементов или их соединений по сравнению с фоновыми значениями и закономерно распространенных относительно скоплений полезных ископаемых.

Вокруг предприятий металлургической отрасли происходит формирование локальных техногенных геохимических аномалий, которые характеризуются высоким содержанием тяжелых металлов в почве, неблагоприятной санитарной и экологической ситуацией [85, 208]. Большие объемы эмиссии поллютантов от предприятий металлургии поступают в окружающие ландшафты. В результате образуется полиэлементная техногеохимическая аномалия тяжелых металлов с одним центром и большой периферийной зоной [50].

По определению [57], техногенная геохимическая аномалия – это участок поверхности земли вблизи промышленных центров, где наблюдается техногенная аккумуляция веществ, представляющая собой накопление техногенных элементов на почвенно-геохимических барьерах в умеренноподвижной и малоподвижной формах.

Ю.Г. Тютюнник [206], исследовав взаимосвязь концентраций металлов в атмосфере и почве, выявил достоверную корреляцию между средним многолетним содержанием металлов в городском воздухе и содержанием их в двухсантиметровом слое урбаноземов. В почвенном покрове вокруг металлургического комбината при аэротехногенном загрязнении установлено образование тонкого техногенного горизонта, где содержание Ni может достигать 7% [91].

Э.П. Махонько с соавторами [153] предложено в качестве критерия интенсивности загрязнения почв тяжелыми металлами из аэрозолей промышленных выбросов использовать время удвоения загрязнения почв. Атмотехногенная нагрузка изменяет почвенный профиль и приводит к формированию в верхнем слое почв контрастных техногеохимических аномалий [116]. Техногенные геохимические аномалии, оцененные по суммарному загрязнению, меньше в районах действия предприятий черной металлургии чем цветной. [111]. Площадь и конфигурация техногенных геохимических аномалий определяется аэротехногенным фактором, а именно - качеством очистных сооружений, высотой трубы, объемами производства [119].

Элементный состав аномалий вокруг предприятий черной и цветной металлургии различен. Так, в почвах вблизи предприятий черной металлургии чаще всего наблюдается загрязнение Pb, Mn, Zn, и в ряде случаев отмечается 10 – 100кратное превышение фона Cu, V, Cr, Ni и Cd [111]. По данным Г.М. Кашулиной [119], в районе действия предприятия «Североникель» Мурманской области образовалась зона загрязнения Pb, As, Bi, Cu, Ag, Cd, Se, S, Sb, а центры черной металлургии образуют аномалии соединений Fe, Mn, Ni, Co, Cr и V. И.Н. Панин с соавторами [168] установил, что наиболее распространенным загрязнителем почв предприятиями черной металлургии Среднего Урала является Mn. По мнению М.А. Глазовской [57], воздействие выбросов предприятий черной металлургии выступает самостоятельным педохимическим активным процессом, так как кроме микроэлементов, в выбросах содержатся в большом количестве макроэлементы: S, Ca, Mg, Fe.

Известно, что цветная металлургия способствует наиболее высокому уровню аккумуляции в почвах Pb, Zn и Cu, а черная образует техногенные аномалии с преобладанием Ni, Mn и Pb [57]. По объему и составу выбросов черная металлургия, по мнению А.В. Хохрякова [217], более экологически опасная отрасль российской промышленности, чем цветная.

Г.А. Гармаш [46] было установлено, что состав атмосферных выбросов цинкоплавильного завода обуславливает более высокий уровень и площадь загрязнения чем комбинат черной металлургии. Изменение содержания тяжелых металлов в дерново-подзолистой почве достоверно установлено в районе выбросов медно-никелевого комбината [71, 75].

Подробно на сегодняшний день изучен вопрос о масштабах геохимических аномалий в районах действия металлургических предприятий. Основным фактором содержания тяжелых металлов в почвах является расстояние от металлургического завода [26, 208, 221].

Площади загрязнения почв металлами в городах с металлургическим производством составляют сотни квадратных километров [101, 153, 168, 196, 231, 254]. Изучение загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами на различных расстояниях от источников выбросов металлургических предприятий выявило зоны максимального загрязнения почв. По сведениям разных авторов, они отличаются, но незначительно, и в целом составляют от 0,5 до 3 – 5 км от источника [58, 101, 110, 142, 254]. Е.В. Лебедева [142], Э.П.

Махонько [153] считают, что это зона полной деградации лесной экосистемы. Ю.Л. Байкиным [14] выявлено, что в радиусе 3,5 км от предприятия «Среднеуральский медеплавильный завод» в г. Ревде Свердловской области наблюдается чрезвычайно опасное и опасное загрязнение светло-серых лесных почв. Содержание тяжелых металлов в почвах трехкилометровой зоны вокруг Жезказганского горнометаллургического комбината Карагандинской области превышает ПДК от 100 до 5000 и более раз [2]. В сфере воздействия цинкового металлургического завода на севере Франции в радиусе 500 м сильно изрежена древесная растительность, почвенные организмы почти отсутствуют, а концентрация металлов в почвах достигает около 20000 мг/кг [250].

Почвы в районе выбросов комбината «Норильский Никель»

на расстоянии 4 – 16 км от источника имеют содержание тяжелых металлов выше ПДК. Далее, в зоне 16 – 25 км, отмечается повышенное содержание, но ниже ПДК, а на расстоянии более 25 км от завода экологическое состояние природной среды соответствует естественному фоновому уровню [231].

Радиус воздействия на почвы вокруг Карабашского медеплавильного завода в Челябинской области, установленный Л.И. Смирновым [199], составляет 30 – 40 км. Е.В. Лебедева [142] считает, что зона, не нарушенная загрязнением, начинается только на расстоянии 75 км от этого крупного предприятия металлургии. По сведениям Б.А. Звонарева [101] и А.В. Корнилова [128], загрязнение почв предприятиями цветной металлургии ограничивается шестью километрами, а Н.М. Фатеева и Т.С. Сиволобова [210] фоновый участок черноземных почв в Оренбургской области определили на расстоянии 20 км от предприятия «Медногорский медно-серный комбинат». По данным Э.П. Махонько с соавторами [153], загрязнение черноземов и темно-серых лесных почв вокруг Челябинского цинкового завода наблюдается в радиусе 10 км. Также в этой десятикилометровой зоне было установлено, что доля металлов в почве составляет 10 – 30% от их выброса в атмосферу [19]. В районе выбросов Магнитогорского металлургического комбината в Челябинской области содержание тяжелых металлов сильно варьирует на разных участках в зависимости от расстояния до источника выбросов. Установлено, что содержание валового железа в почвах возле комбината больше в 5- 10 раз по сравнению со средним его содержанием в почвах России [65].

Одним из объектов техногенного воздействия на почвенный покров являются места складирования отходов обогащения шлама и хвостохранилищ, которые содержат целый комплекс тяжелых металлов. Наиболее характерные из них:

Cu, Zn, Fe, Mn, Cr, Bi, Ti, Pb, Ni, As, Mo и V [69]. Л.В. Плющ и Е.В. Елдина [175] при исследовании загрязнения территории складирования токсичных отходов ОАО «Металлургический завод им. А.К. Серова» Свердловской области установили негативное влияние шлаков металлургического производства на химический состав новообразованных почв. В почвах были обнаружены Cu, Zn, Pb, Cr, Ni, V и Mn в превышающих ПДК количествах. Почвы и грунты, расположенные в пределах техногенно-измененных ландшафтов, по значениям суммарного показателя загрязнения (СПЗ) соответствуют весьма опасной, опасной и реже умеренно опасной категориям загрязнения [69].

Чтобы оценить масштабы и характер техногеохимической аномалии вокруг предприятий металлургической отрасли, необходимо учитывать особенности и пути поступления химических элементов в почвы. Известно, что нагрузка на почвенный покров бывает природной и техногенной. Природная нагрузка определяется химическим составом почвообразующих и подстилающих пород. Источником техногенной нагрузки является поток загрязняющих веществ из атмосферы в виде пыли, дымовых выбросов и аэрозолей, разносимых ветром на большие расстояния [197].

Таким образом, исследованиями разных авторов установлено, что масштабы и характер техногенных геохимических аномалий вокруг действия металлургических предприятий различны, что определяется объемами и составом выбросов в атмосферу, мощностью производства, видами выпускаемой продукции и другими факторами. Однако, особенности загрязнения тяжелыми металлами почв разного генезиса, прилегающих к одному металлургическому предприятию, рассмотрены не в полной мере.

1.3. Закрепление и поведение тяжелых металлов Почва для тяжелых металлов является емким акцептором [8]. Попав в почву, металлы прочно связываются с гумусовыми веществами, образуя труднорастворимые соединения, входят в состав поглощенных оснований, глинистых минералов, а также мигрируют в составе почвенного раствора по профилю [127]. Уровень накопления тяжелых металлов в почве зависит от ее типа и факторов почвообразования [55, 110, 204].

Нахождение тяжелых металлов в почве зависит от их способности к образованию комплексных соединений гидроксидов и труднорастворимых солей [77]. При поступлении в почву от источников загрязнения тяжелые металлы взаимодействуют с твердой фазой и различными компонентами почвенного раствора, в связи с чем происходит связывание тяжелых металлов. Существуют следующие механизмы связывания: ионный обмен, изоморфные замещения, комплексообразовательная сорбция и осадочная сорбция [113]. Закрепление тяжелых металлов происходит в результате процессов адсорбции твердой фазой почв, образования труднорастворимых соединений металлов, фиксация оксидами Fe, Mn, S, Al, поглощение почвенной биотой [262]. Уровень накопления металлов в почвах зависит от химического состава почвообразующих пород, концентрации металлов и содержания гумуса, восстановительной и поглощающей емкости почв [182].

Тяжелые металлы содержатся в почвах в водорастворимой ионообменной и не прочно адсорбированной формах.

Водорастворимые формы представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическими комплексными соединениями [147, 174].

Концентрация тяжелых металлов в почвенном растворе является наиболее важной экологической характеристикой почвы, поскольку определяет миграцию тяжелых металлов по профилю и поглощение их растениями [22]. Тяжелые металлы, содержащиеся в гуминовых кислотах, фиксированных на высокодисперсных частицах почв, являются особой миграционной формой металлов, играющей важную роль в формировании массопотоков, мигрирующих в составе твердого стока. Фиксация комплексных соединений металлов с гуминовыми кислотами на высокодисперсных минеральных компонентах почвы является частью глобального механизма регулирования массообмена металлов в биосфере [83].

Подвижные формы тяжелых металлов концентрируются в основном в верхних горизонтах почв, где содержится много органического вещества и активно идут биохимические процессы. В составе органических комплексов тяжелые металлы обладают высокой мобильностью [110]. С помощью математического моделирования Н.Е. Кошелевой [132] получена информация об условиях и факторах, контролирующих подвижность тяжелых металлов. Установлено, что подвижность Mn и Cu в почвах определяют в основном органоминеральные соединения. Щелочные условия способствуют уменьшению содержания подвижных форм Zn, Pb, Ni.

В условиях антропогенного загрязнения тяжелые металлы попадают в почву в форме солей нерастворимых и растворимых в воде, а также в форме оксидов [59]. При поступлении в почву небольшая часть тяжелых металлов переходит в почвенный раствор и может вымываться грунтовыми водами. Остальная часть закрепляется вторичными глинистыми минералами, полуторными оксидами и органическим веществом [81, 138]. Глинистые минералы наиболее интенсивно фиксируют элементы, имеющие небольшой ионный радиус и в основном поглощают Ni, Cu, Cr, Zn [81]. В гранулометрических фракциях размером от 0,5 до 0,25 мм максимально концентрируются Cu и Zn [185]. Тяжелые металлы также могут сорбироваться почвой с образованием сложных отрицательно заряженных комплексных соединений [257].

Гумусовые горизонты почв являются основными накопителями техногенно-поступающих тяжелых металлов [209].

Тяжелые металлы закрепляются органическим веществом в формах: солей с гумусовыми кислотами; как адсорбенты гумусовых кислот; в форме комплексных солей с гумусовыми кислотами; в составе неразложившихся и полуразложившихся растительных и животных остатков; в металлорганических соединениях, в виде хелатов, протеногенных аминокислот, полифенолов [4, 157].

Адсорбируясь гумусом, тяжелые металлы замещают водород и активно связываются с карбоксильными и фенольными группами [20]. В результате образуются сложные комплексные соединения с органическим веществом [57]. Hg, Sn и Pb образуют наиболее устойчивые соединения с гумусом.

Соединения слабой устойчивости образуют Zn и Cd. Почти не закрепляются гумусом Mn и Cr [209]. По данным Т.А.

Трифоновой [205] и других исследователей, гумусовые горизонты не являются эффективными как барьер по отношению к тяжелым металлам в системе «промышленные отходы – почва», и не прекращают техногенную миграцию ТМ в нижележащие горизонты.

При наличии благоприятных почвенных условий – высокое содержание гумуса и низкая кислотность - тяжелые металлы, за исключением Cd, хорошо закрепляются почвенными частицами, переходя в неподвижное состояние [235].

В районе действия предприятий металлургии почва выступает геохимическим барьером по отношению к выбросам [196]. В профиле загрязненных почв тип распределения тяжелых металлов определяется в основном не почвообразовательным процессом, а техногенным потоком из воздуха [46].

Особенности профильного распределения тяжелых металлов зависят от ряда физико-химических свойств почв, а именно от рН, гранулометрического состава, содержания органического углерода, суммы обменных оснований, удельной поверхности и буферности [169]. Н.Г. Зыриным и Н.А. Чеботаревой [103] установлено, что чем выше емкость катионного обмена, тем большее количество катионов тяжелых металлов может содержать почва.

Основная часть тяжелых металлов, выпадающих вблизи металлургических предприятий, сосредотачивается на глубине от 5 до 40 см [127, 208, 279,]. По данным Н.А. Киприянова [120], в загрязненных металлургическим производством почвах тяжелые металлы проникают обычно на глубину более 0,2 м, а при сильном загрязнении до - 1,6 м. Внутрипрофильное распределение тяжелых металлов происходит в результате горизонтальной и вертикальной миграции почвенной влаги [218].

Распределение тяжелых металлов по профилю почв также определяется особенностями почвообразовательного процесса и атмотехногенеза [146]. Под влиянием подзолистого процесса Mn в почвенном профиле распределяется по аккумулятивному типу, Zn, Cu и Cd - по аккумулятивноэлювиально-иллювиальному [232]. В подзолистых и дерновоподзолистых почвах средней тайги Западной Сибири распределение тяжелых металлов происходит по элювиальноиллювиальному типу [98].

Распределение элементов по генетическим горизонтам светло-каштановой почвы отражают закономерности миграции тяжелых металлов по профилю. Свинец наиболее сильно поглощен в иллювиальном горизонте и материнской породе, а Zn накапливается в верхней части профиля. При совместном присутствии Zn и Pb наблюдалось увеличение количества поглощенного Pb и более равномерное распределение его по профилю [16]. Исследованиями П.В. Елпатьевского [92] было установлено, что при атмотехногенном загрязнении окружающей среды в почвах, Cu, Pb и Fe тяготеют к высокомолекулярным водорастворимым органическим веществам, что определяет их повышенное содержание в иллювиальном горизонте, а Zn, Cd и Mn связаны со среднемолекулярными водорастворимыми органическими веществами, из-за чего они частично выносятся из почвенного профиля. Основным механизмом миграции тяжелых металлов из верхнего слоя почвы является образование органоминеральных комплексов металлов с последующей их внутрипочвенной миграцией с раствором.

Подвижность тяжелых металлов также зависит от кислотности почв. При рН 4 наиболее подвижны Pb и Hg, значения рН от 4,5 до 5 способствуют подвижности Cu и Cr.

Максимальную подвижность при рН от 5 до 5,5 имеют Zn, Ni, Mn и Co, а Cd мобилен при рН 6,5 [245, 251]. В зоне действия производства по выплавке цинка в Японии установлено, что при понижении рН в почве возрастает концентрация обменных форм Cd, Zn и Pb [280]. Рост значений рН усиливает сорбированность катионообразующих металлов Cu, Zn, Ni, Hg, Pb и увеличивает подвижность анионообразующих металлов Mo, Cr, V. Усиление окислительных условий увеличивает миграционную способность металлов [125].

Таким образом, некоторая часть техногенных тяжелых металлов находится в подвижном состоянии в почвенном растворе, а часть переходит в неподвижное состояние, закрепляясь органическим веществом, глинистыми минералами и оксидами железа. Рассмотрим более подробно значение в этом процессе оксидов железа. Техногенный оксидогенез железа играет особую роль в массопотоке тяжелых металлов.

1.4. Оксиды железа как адсорбенты и носители тяжелых металлов в почве Одним из важнейших химических элементов в почве является железо. Его накопление связано с выветриванием первичных минералов почвообразующих пород, а различия содержания железа в породах обусловлено составом железосодержащих минералов [102]. Их классификации подробно рассмотрены в работах Ю.Н. Водяницкого [34], А.В. Иванова [105].

Оксиды железа в почвах отличаются простотой своей структуры от других минералов (например, алюмосиликатов) и являются значительной частью механизма регуляции массопотока тяжелых металлов в глобальной системе циклов их миграции. Поэтому концентрация тяжелых металлов в оксидах железа может в десятки раз превышать среднее их содержание в земной коре. В почвах эти минералы представлены магнетитом, маггемитом, гетитом, гематитом, лепидокрокитом, ферригидритом, ферроксидитом [33, 38]. Выявлена роль отдельных минералов в фиксации тяжелых металлов.

Гетит (FeOOH) является одним из самых распространенных оксидов железа, имеет желтую окраску, образует столбчатые и игольчатые кристаллы [102]. Плотность минерала составляет 4,37 г/см3 [271]. Часто распространено замещение в структуре гетита Fe на Al, а менее распространено Fe на Mn. При этом содержание Mn в гетите не более 0,07% [34]. Исследования, проведенные G.W. Brummer [244], показали, что адсорбция гетитом тяжелых металлов (Ni, Zn и Cd) увеличивается во времени, с ростом значений рН и температуры.

Гематит ( Fe2O3) характеризуется различной структурой минеральных агрегатов [102]. Этот железистый минерал широко распространен в почвах Предуралья [39]. Гематит имеет плотность 5,26 г/см3 [271]. Строение частиц ромбоэдральное. В гематите распространено изоморфное замещение Fe на Ti. Оксиды гематита Fe2O3 и ильменита FeTiO3 относят к одному структурному ряду. Также возможны замещения Fe на Al. В гематите замещение железа ионами тяжелых металлов менее возможно, чем в гетите [38].

Ферригидрит (2,5Fe2O34,5H2O) по структуре похож на гематит и имеет красно-бурую окраску [102]. В.А. Дриц и другие [86] считают, что ферригидрит представляет смесь структурно-упорядоченного и дефектного ферригидрита и ультрадисперсного гематита. Минерал имеет плотность 3, г/см3 [271]. C.E. Martinez с соавторами [260] установили, что при совместном осаждении с Fe происходит выпадение Cu2+, Pb2+ и Zn2+ в решетке ферригидрита. Содержание ферригидрита связано с высоким содержанием органического вещества и высоким уровнем поступления железа. Большое количество сорбционных мест с большой удельной поверхностью у ферригидрита способствуют непрочному закреплению тяжелых металлов [36].

Магнетит (Fe3O4) и маггемит (Fe2O3) похожи по строению структур. Магнетит и продукт его окисления маггемит наиболее распространены в красноземах. Литогенный магнетит в почвах часто ассоциирован с педогенным и маггемитом [33]. По данным Г.В. Мотузовой [160], в магнетит изоморфно входят Ti, Mn, Cr, Co, Al, Zn, Mo, Cu, Ga, а по сведениям R.L. Mitchell [265], к основным элементам, входящим в состав магнетита, относятся Zn, Co, Ni, Cr, V.

По сведениям М.Д. Крыловой с соавторами [136], в магнетите происходит замещение двухвалентного железа на Mn, Ti, Ni, а трехвалентное железо замещается на V и Cr. Ni в магнетите образует зону концентрации в виде вкраплений феррита никеля [272]. В загрязненных промышленностью почвах наблюдается повышенное содержание техногенных форм магнетита-маггемита.

Наиболее важным свойством минералов железа Ю.Н.

Водяницкий и В.В. Добровольский [38] считают их способность взаимодействовать с тяжелыми металлами. Оксиды железа участвуют в химических реакциях с металлами в природных условиях и в условиях техногенного загрязнения почв. В результате тяжелые металлы фиксируются в почвах соединениями железа [216, 264]. Гидрооксиды железа и марганца активно участвуют в процессах закрепления тяжелых металлов в почвах [82]. Поэтому наиболее прочно тяжелые металлы удерживаются оксидами и гидроксидами металлов [209]. По результатам статистической обработки установлена связь между содержанием тяжелых металлов с гидроксидами железа [273]. В гидроксидах железа могут аккумулироваться металлоорганические соединения, которые образовались при связывании тяжелых металлов с органическим веществом [125].

Оксиды железа участвуют в иммобилизации тяжелых металлов, так как имеют высокий кларк и являются термодинамически нестабильными соединениями в почвах [82]. По данным F.N. Ponnamperuma [269], соосаждение оксидов железа с другими элементами связано со сходством химических свойств и радиусом ионов, что позволяет минералам железа сорбировать металлы из суспензии.

Физическая, специфическая и химическая адсорбция – это основные механизмы поглощения тяжелых металлов оксидами железа [160]. Сама адсорбция в почве тяжелых металлов оксидами железа В.В. Добровольским и Ю.Н. Водяницким [38] рассматривается как концентрирование растворенного вещества на поверхности частиц твердой фазы. Физическая адсорбция происходит при действии молекулярных (вандервальсовских) и электростатических сил.

Поглощение тяжелых металлов железистыми минералами зависит от вида минерала, степени его окристаллизованности, гидротированности и характера изоморфных замещений, морфологической формы минерала. При сравнении количеств металлов, десорбированных HNO3 и реактивом Тамма, можно сделать вывод о вкладе железистых минералов в поглотительную способность почвы по отношению к ионам металлов [140].

Тяжелые металлы, хемосорбированные оксидами железа за счет внутрисферного комплексообразования, не замещают катионы, которые не имеют специфического сродства к данным оксидам. Металлы, имеющие высокую степень сродства к оксидам железа, способны полностью замещать сорбированные ранее металлы [38]. C.C. Ainsworth [233], на основании эксперементальных исследований по кинетике взаимодействия тяжелых металлов с оксидами железа, пришел к выводу, что Pb не проникает в глубину частиц оксида с течением времени.

Образование специфических связей оксидов железа с тяжелыми металлами M.B. McBride [261] объясняет несколькими причинами: 1) замещение двух ионов водорода одним сорбированным ионом металла; 2) оксиды железа имеют высокую специфичность к тяжелым металлам; 3) в результате адсорбции наблюдается изменение поверхностного заряда оксидов.

Прочнее адсорбируются на поверхности оксидов железа те тяжелые металлы, у которых крупнее размер иона, но при этом крупный радиус препятствует дальнейшей диффузии металла вглубь твердой фазы. Так, из тяжелых металлов наиболее активное взаимодействие с оксидами железа проявляют: Sc, Cd, Co, Zn, Ni, Cu и V [38]. Образование природнолегированной руды в составе почвенных оксидов железа наблюдается, по данным В.В. Добровольского [80], при повышенной концентрации Ni, Co, V и Cr. Г.В. Мотузова [160] приводит данные, указывающие на то, что половина Cu и Zn, содержащихся в иле, может удерживаться оксидами железа.

Сорбционная способность железистых минералов по отношению к катионам определяется наличием на их поверхности рН зависимых отрицательных зарядов. Если рН ниже изоэлектрической точки, то происходит смена заряда оксида на положительный и адсорбируются анионы, что было установлено на опытах со Pb, где поглощение его гидроксидами железа возрастало с ростом значений рН [56]. По данным А.А. Понизовского [177], полное поглощение ионов Pb (II) оксидами железа происходит в интервале рН от 3,5 до 5,5.

Соединения, в составе которых Pb находится на поверхности оксидов железа, относят к поверхностным внутрисферным комплексам. При этом оксиды железа являются наиболее селективным сорбентом для свинца. Так, изотерма поглощения свинца на гетите описана с помощью физической модели, которая демонстрирует распределение зарядов в двойном электронном слое вблизи заряженной поверхности. Обменное или необменное связывание свинца происходит при взаимодействии с оксидами и гидроксидами железа вследствие проникновения ионов в межплоскостные промежутки смектиков.

Адсорбция тяжелых металлов обменными центрами во многом зависит от степени насыщенности ионами водорода [173]. Сильная зависимость между склонностью металлов к гидролизу и их способностью адсорбироваться оксидами и гидроксидами была установлена M.B. McBride [261]. Так, тяжелые металлы по сродству к гидроксидам железа по D.C.

Kinniburgh [253] расположены в убывающий ряд:

Pb2+>Cu2+>Zn2+>Ni2+>Cd2+Co2+>Sr2+>Mg2+.

Убывающий ряд степени гидролиза катионов по Д.А. Князеву [122] следующий:

Fe3+>Cr3+>Al3+>Pb2+>Fe2+>Cu2+>Cd2+>Zn2+>Co2+>Mn2+>Ni2+>Mg2+.

Адсорбированные оксидами железа тяжелые металлы через некоторое время переходят в окклюдированное состояние из-за дальнейшей их адсорбции [262]. Со временем прочность удерживания железистых минералов тяжелыми металлами возрастает из-за их диффузии внутрь твердой фазы [273]. Диффузия металла из внешних во внутренние позиции усиливается во времени с ростом температуры и увеличением концентрации металла в растворе. Тонкие частицы гидроксидов железа способны встраивать металлы в свою дефектную решетку, компенсируя при этом дисбаланс заряда [272]. По сведениям Д.Л. Пинского [173], содержание оксидов железа сильно влияет на селективность обмена тяжелых металлов. Данные, полученные Д.В. Ладониным [140], показывают, что прочно удерживаются железистыми минералами Cu и Cd, а наибольшее сродство к железистыми минералам наблюдается у Pb.

По мнению А.В. Иванова [105], ожелезнение поверхности земли можно рассматривать как одну из форм проявления техногенеза. Отходы металлургических производств входят в группу основных источников загрязнения почв техногенным железом, а техногенные оксиды железа представляют собой шарики, которые содержат магнетит и гематит [84].

Содержание оксидов железа в почвах, загрязненных металлургическим производством, на порядок выше, чем в незагрязненных. Это связано с вкладом сильномагнитных оксидов железа, поступающих из воздуха в виде пылевидных отходов металлургических производств.

Значительная часть техногенного железа в почвах представлена ферришпинелями, состав которых выражается формулой: Ах Вх…FenOm, где А,В… - ферриобразующие элементы. В группу ферриобразующих элементов входят следующие тяжелые металлы: Mn, Ni, Co, Cu, Zn, Cd. Также с ферримагнитными оксидами железа ассоциированы Cr, Sb, As, Hg. Часто встречаются ассоциации оксидов железа с ртутью, мышьяком, хромом и другими тяжелыми металлами [32].

Загрязнение почв техногенными оксидами железа изучалось зарубежными и отечественными исследователями в районе действия крупных металлургических предприятий.

Исследования, выполненные в Польше, показали, что максимальное содержание сильномагнитных оксидов железа наблюдается в слое до глубины 20 – 25 см вблизи сталелитейного завода [275]. Английские ученые выявили техногенное загрязнение магнетитом, основываясь на максимальных значениях магнитной восприимчивости [259]. При изучении Череповецкой техногеохимической аномалии, где загрязнение почв обусловлено, в основном, соединениями железа, а комбинат черной металлургии выбрасывает пыль, О.Б. Роговой [184] было установлено, что она на 30 – 70 % состоит из оксидов железа.

Таким образом, оксиды железа в почвах, наряду с гумусом и глинистыми минералами, являются мощными поглотителями для тяжелых металлов. Железистые минералы способны длительное время удерживать металлополлютанты.

Повышенное содержание техногенных оксидов железа в почве – это характерная черта загрязнения территории металлургическим производством, что служит основанием для некоторых методов диагностики загрязнения почв тяжелыми металлами.

1.5. Методы диагностики почв, загрязненных металлургическим производством На сегодняшний день существуют различные методики изучения состояния почвенного покрова, в связи с его загрязнением тяжелыми металлами.

Биологический метод оценки называется биоиндикацией. Он основан на выявлении биологически и экологически значимых нагрузок с помощью специфических реакций живых организмов и их сообществ [215]. Е.И. Андреюк [10] под методом биоиндикации понимает определение антропогенной нагрузки по реакции биотестов и изменению некоторых биологических свойств почвы.

При почвенно-экологическом мониторинге, проведенном в Карелии в зоне воздействия Костомукшинского горнообогатительного комбината, М.В. Медведева [154] рекомендует обязательное использование методов биологической диагностики загрязнения почв. Достаточно информативными являются реакции мхов, лишайников и древесных растений [47, 158, 213].

Изучение почвенных микроорганизмов также является информативным методом [143, 236]. Например, были проведены исследования влияния выбросов Ni, Cr и Co комбината цветной металлургии «Североникель» Кольского полуострова на микромицеты почв. Реакция микромицетов проявилась в изменении их видового состава [142].

Исследования биологической активности и фитотоксичности почв вокруг предприятия «Среднеуральский медеплавильный завод» (СМЗ) Свердловской области показали их линейную зависимость от уровня загрязнения [14]. Биоиндикация загрязнения почв, проведенная А.С. Гусевым [73], не выявила существенной корреляции между биологической активностью, состоянием растительности и уровнем загрязнения почв в районе действия СМЗ.

Для мониторинга загрязнения территории тяжелыми металлами объективной является методика оценки загрязнения снежного покрова [196]. Это связано с тем, что в снежном покрове можно обнаружить техногенную пыль, выпадающую из атмосферы от металлургических предприятий, которая впоследствии оседает на почве [175].

Выявление степени загрязнения основывается также на определении техногенных форм оксидов железа. Они являются носителями ТМ, и поступают в почву в составе выбросов предприятий. Суммарное содержание сильномагнитных соединений в почве отражает величина ее магнитной восприимчивости [13]. Ферромагнитные оксиды железа (магнетит, маггемит) составляют магнитную фракцию в почве, под которой понимается минеральная часть, извлекаемая постоянным магнитом [99]. Магнитная восприимчивость магнетита на два-три порядка выше, чем гематита, гетита и ферригидрита [159].

Большая часть пылевых выбросов металлургических предприятий состоит из оксидов железа, поэтому величина магнитной восприимчивости позволяет судить о техногенном загрязнении почв [211, 274, 278, 282]. Измерение магнитной восприимчивости – это экспресс-метод, дающий возможность в сжатые сроки без существенных затрат обследовать загрязненную тяжелыми металлами территорию. Эффективность измерения магнитной восприимчивости для диагностики уровней загрязнения почвенного покрова техногенными выбросами Череповецкого металлургического завода установили И.Г. Важенин с соавторами [26]. По результатам многочисленных измерений ими предложена следующая группировка значений удельной магнитной восприимчивости (10м /кг), которая отражает уровень загрязнения почв: 1) < – слабая; 2) 500 – 1000 - существенная; 3) 1000– 2000 – средняя; 4) 2000 – 3000 – высокая; 5) > 3000 – очень высокая.

Однако не может существовать универсальных значений магнитной восприимчивости, которые бы свидетельствовали о загрязнении почв. Так же как и другие свойства почв, магнитная восприимчивость имеет свои региональные особенности и зависит от генезиса почв, источника и характера загрязнения почв тяжелыми металлами. В связи с этим требуется постановка и решение вопроса изучения магнитной восприимчивости, установления фоновых значений для каждой территории и конкретных зависимостей между загрязнением почв тяжелыми металлами и значениями магнитной восприимчивости. Каждый город имеет свою техногеохимическую специализацию, по этой причине актуальной проблемой для каждого региона является установление фоновых значений и выбор критериев оценки загрязненности почв тяжелыми металлами, в том числе с помощью измерения магнитной восприимчивости почв [172].

Анализ выполненных научных исследований показал, что проблема загрязнения почв тяжелыми металлами в районе действия металлургических предприятий остается изученной не в полной мере по нескольким причинам: 1) загрязнению подвергаются почвы различного генезиса, и при этом каждый тип почвы будет обладать своими особенностями аккумуляции и трансформации тяжелых металлов; 2) состав металлополлютантов в загрязненных почвах зависит от технологического цикла металлургического производства, сырья и ассортимента готовой продукции и других техногенных факторов и практически на каждой территории металлургического производства будет иметь свою специфику; 3) для оперативного контроля за загрязнением почв тяжелыми металлами требуется адаптация существующих методов диагностики с учетом региональных особенностей почвообразования; 4) техногенные геохимические аномалии могут накладываться на природные, что затрудняет объективную оценку загрязнения почв по установленным в законодательном порядке нормативам; 5) значительная часть исследований загрязнения тяжелыми металлами охватывает только поверхностные горизонты почвы и не учитывает внутрипрофильное распределение металлополлютантов. Эти проблемы определяют выбор объектов и методику проведения наших исследований на территории г. Чусового Пермского края.

ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ И АНТРОПОГЕННЫЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЧВ ГОРОДА ЧУСОВОГО

Рис. 1. Географическое расположение г. Чусового Город Чусовой и подчиненные его администрации населенные пункты имеют численность населения 80 тыс. чел, а в самом г. Чусовом проживают 54 тыс. чел [229].

Климат. Территория города Чусового находится в пределах третьего агроклиматического района Пермского края [1]. Климат территории характеризуется как умеренно континентальный, переувлажненный. Сумма средних суточных температур воздуха за вегетационный период с температурами выше 10оС колеблется в пределах 1500 – 1700оС. Продолжительность периода с температурой воздуха выше 10оС равна 110 дням. Средняя продолжительность периода без заморозков колеблется от 100 до 110 дней. Средняя годовая температура воздуха составляет 0оС, при этом средняя температура января -16,5оС, а июля +16,5оС. Гидротермический коэффициент находится в пределах 1,6-1,8. Количество осадков за вегетационный период 200-250 мм, а среднегодовое мм. Промывной тип водного режима, сезонное глубокое промерзание способствуют элювиально-иллювиальной дифференциации профиля почв территории.

На территории г. Чусового 28% составляют в течение года дни, когда дует южный ветер. Преобладающими также являются юго-западный, северо-западный и юго-восточный ветра (16%, 14% и 13% дней в году, соответственно). Следовательно, в районе г. Чусового наблюдается в основном южное направление перемещения воздушных масс (табл. 1).

Таблица 1. Направление ветра в январе, июле и среднегодовое по данным метеостанции Кын, в % от числа наблюдений

С СВ В ЮВ Ю ЮЗ СЗ

Рельеф. Территория города Чусового и его окрестностей расположена на границе двух геоморфологических стран:

Восточно-Европейской равнины и Складчатого Урала [149].

Левобережная часть города расположена в пределах Лысьвенско-Тулумбасской возвышенной равнины, относящейся к геоморфологической области Предуральской равнины и кряжей. Лысьвенско-Тулумбасская равнина характеризуется крупно-увалистым и увалистым рельефом. Высоко поднимающиеся покрытые лесом вершины некоторых увалов придают местности гористый облик. Склоны в основном крутизной 1 – 3о [227]. Правобережная часть города и северные окраины примыкают к геоморфологической области западных увалистых предгорий Урала, которая представляет волнистохолмистую эрозионную предгорную равнину.

Предгорья являются естественной границей для северных и местных ветров и определяют застой воздушных масс в долинах рек Чусовой и Усьвы. Для долин рек Чусовой, Усьвы и Вильвы характерно двухъярусное строение. Узкие молодые долины рек неоген-четвертичного возраста глубоко врезаны и отличаются крутыми склонами. Древние долины имеют более пологие склоны и поверхности последних незаметно переходят в пологохолмистые поверхности междуречий. На левом берегу реки Чусовой хорошо прослеживаются три надпойменные террасы. Значительные относительные превышения, нередко со скалистыми обрывистыми склонами и вершинами, и относительными превышениями до 100 - метров, приурочены к берегам р. Чусовой [148].

Территория города имеет неоднородный и, с точки зрения аэрального загрязнения окружающей среды, неблагоприятный рельеф. Отвал металлошлаков, ОАО «ЧМЗ» и примыкающие к ним жилые кварталы расположены в естественной котловине, образованной долинами рек Усьва и Чусовая и ограждены с северной стороны увалами горно-складчатого Урала (рис. 2).

Рис. 2. Схема расположения основных разрезов на территории г. Чусового. - номера разрезов Растительность. Территория Чусовского района расположена в пределах южной тайги. Основным типом естественного растительного покрова для лесопарков города Чусового и его окрестностей являются еловые и елово-пихтовые леса с примесью кедра и лиственницы, сосны, можжевельника и рябины. На песчаном сухом каменистом субстрате развиваются сосновые боры. Наряду с этими первичными комплексами довольно широко распространены смешанные леса из ели, пихты, сосны, лиственницы, березы, осины и рябины в различных сочетаниях, представляя собой нередко вторичные группировки, возникшие при вмешательстве человека [165]. Относительно небольшие площади в микрорайонах Ерзовка и Шибаново в понижениях надпойменных террас долины реки Чусовой заняты заболоченными лугами, травянистыми и моховыми болотами.

Для озеленения территории города используются древесные породы: тополь, клен, береза, рябина. В микрорайоне Старый город древесные насаждения в скверах и на улицах представлены в основном тополем, липой и кленом. Для создания травосмесей газонов, как правило, используют злаковые многолетние травы, а именно: мятлик луговой, овсяницу красную, райграс пастбищный.

На уплотненных участках внутридворовых территорий многоэтажной застройки травянистая растительность сильно изрежена или отсутствует вообще. Древесные породы в непосредственной близости к заводу угнетены, наблюдается раннее отмирание и сбрасывание листьев. В микрорайоне Новый город внутри жилых кварталов сохранились малотрансформированные участки пихтово-елового и сосновоелового леса площадью 0,5 – 7 га.

Геологическое строение территории связано с образованием Уральских гор. Чусовской район расположен на восточной окраине Русской равнины и занимает часть территории Вишерско-Чусовского Урала – одного из регионов Уральской горной физико-географической страны [201]. В тектоническом отношении район представляет собой стык Предуральского краевого прогиба и Западно-Уральской внешней зоны складчатости. Коренные породы, подстилающие четвертичные отложения в районе города Чусового, представлены отложениями уфимского и кунгурского яруса пермской геологической системы. Они сложены в основном известняками, мергелями, гипсами, доломитами, ангидритами, алевролитами и сланцами [49].

Для сравнительной характеристики химического состава коренных пород г. Чусового нами были использованы данные химического состава коренных пород заповедника Басеги, расположенного в 74 км на северо-восток от г. Чусового [44], региональные кларки [45] и кларки земной коры [31]. Химический состав горных пород, подстилающих почвы в районе хребта Басеги, характеризуется повышенным содержанием тяжелых металлов по сравнению с региональными кларками для пород Урала [45]: Ni 24; Cr 110; Ba мг/кг. Следует отметить, что региональные кларки по сравнению с кларками земной коры [31] имеют более низкие значения содержания тяжелых металлов. Концентрация элементов в алевролите северо-восточных окрестностей г. Чусового (разрез 14) выше значений кларков по Г.А. Вострокнутову [45]: Ni - в 3,1; Cr - в 2,3; Mn - в 1,3; Zn - в 1,5; Pb - в 2,2; Sr в 1,3 раза, а концентрация микроэлементов в известковом алевролите (разрез 1) по отношению к региональному кларку еще выше: Ni - в 6,8; Cr - в 4,3; Sr - в 1,8; Ba - в 1,7; Pb - в 1,6;

Cu - в 1,2 раза. Это позволяет охарактеризовать территорию исследований как природную геохимическую аномалию по отношению к Ni и Cr (табл. 2).

Самыми молодыми отложениями на территории Чусового и его окрестностях являются четвертичные породы различного генезиса. Преобладают элювиальные и элювиальноделювиальные породы.

Таблица 2. Содержание тяжелых металлов в коренных породах г. Чусового, мг/кг Известковый алевролит (разрез 1, D, 130 – 140 см), г. Чусовой Алевролит (разрез 14, С, 110 – 120 см), г. Чусовой Кварцито-песчаники, сланцы – заповедник «Басеги» [44] Кларк для пород Урала по Г.А. Вострокнутову [45] Кларк для земной коры по А.П. Виноградову [31] Примечание - означает отсутствие данных У элювиальных отложений преимущественно глыбовощебнистый состав и залегают они в виде пятен, приуроченных к вершинам водоразделов. Элювиально-делювиальные отложения имеют преобладающее распространение и сформировались на водораздельных пространствах долин современных рек и их склонах. Мощность этих четвертичных отложений очень непостоянна и колеблется от нескольких сантиметров до 20 метров [48].

В поймах рек почвообразование развивается на аллювии. Аллювиальные отложения в долине р. Чусовой и ее притоков состоят из песчано-глинисто-гравийно-галечных отложений, которые содержат глыбы, валуны и щебенку коренных пород. По сравнению с террасовыми, эти отложения характеризуются повышенным содержанием валунов и гальки [49].

Таким образом, терригенный фундамент территории города Чусового и окрестностей представлен в основном верхнепермскими отложениями уфимского яруса и нижнепермскими кунгурского яруса, а почвообразующими породами являются элювиально-делювиальные отложения, элювии коренных пород, древне-аллювиальные и аллювиальные отложения. Характерна обогащенность коренных пород Ni, Cr, Sr и Ba.

Поверхностные воды. На территории г. Чусового и его окрестностей хорошо развита речная сеть, которая характеризуется многоводностью и представлена реками Чусовая, Усьва, Вильва, Вижай, а также множеством мелких речек [162]. На формирование аллювиальных почв г. Чусового большое влияние оказывает река Чусовая. Она имеет длину 592 км, уклон 0,4 м/км и протекает по Челябинской, Свердловской областям и Пермскому краю. В районе города река носит типично равнинный характер, русло расширяется местами до 300м. Половодье длится с середины апреля до середины июня. За лето иногда бывает 6 - 7 дождевых паводков, при этом уровень воды может подниматься до 4 - 5м [229].

Почвенный покров территории. По почвенному районированию Пермской области, выполненному Н.Я. Коротаевым [130], западная часть Чусовского района относится к подзоне дерново-подзолистых почв Асовско-КишертскоЛысьвенского почвенного района дерново-подзолистых почв разного гранулометрического состава с пятнами дерновокарбонатных почв. Этот почвенный район находится в пределах Вятско-Камской провинции южно-таежной подзоны дерново-подзолистых почв [41]. Восточная часть Чусовского района расположена в западно-предгорном районе тяжелосуглинистых подзолистых, дерново-подзолистых и заболоченных почв Горноуральского почвенного округа [130].

Позднее Т.В. Вологжанина с соавторами [41] эту территорию выделила как Уральскую горную почвенную провинцию.

На территории Чусовского района преобладают дерново-среднеподзолистые и дерново-сильноподзолистые тяжелои среднесуглинистые почвы. Также небольшое распространение имеют почвы дерново-карбонатного типа. Почвы восточных окрестностей города Чусового в основном представлены дерново-сильноподзолистыми тяжелосуглинистыми.

Почвы на пашне имеют в основном неблагоприятные для культурных растений агрохимические свойства: низкое содержание подвижного фосфора и обменного калия, низкую сумму обменных оснований, кислую реакцию среды [41, 130].

Таким образом, природные условия территории города Чусового - близкое расположение к Складчатому Уралу, преобладание южного направления ветра, котловинообразное строение речных долин - способствуют застою воздушных масс на части территории города, прилегающей к ОАО «ЧМЗ» и аэральному загрязнению почв. Промывной тип водного режима, преобладание темнохвойных лесов, кислые почвообразующие породы определяют развитие подзолистого процесса и формирование в природных условиях в основном дерново-подзолистых почв.

формирования почв города Чусового Краткая история города и завода. Территория города Чусового известна с XVI века, как поселок Камасино. История развития города неразрывно связана с развитием градообразующего предприятия ОАО «Чусовской металлургический завод». Завод основан в 1879 году Франко-Русским уральским акционерным обществом и заложен по французскому проекту. В то время Чусовской завод был представлен стоящими в ряд на берегу реки Чусовой цехами доменного и сталепрокатного производства, между которыми в конце ХIХ века пролегли внутризаводские улицы. В 1894-1898 гг. вводились в строй мартеновские печи, в 1894 г. был построен мелкосортный стан. Суточная производительность доменной печи была около шестнадцати тонн чугуна. Позже, в 1931 году, Чусовской завод стал работать по полному металлургическому циклу: выплавка чугуна и стали, производство проката, выпуск готовых металлоизделий. Одновременно с возведением цехов шло строительство заводского поселка. Он рос без плана, полукругом охватывая с севера строительную площадку завода и занимая отроги горы, позднее получившей название «Больничной» (сейчас микрорайон Старый город, ул. Школьная - Переездная). Неблагоприятной была экологическая обстановка. Предгорья Урала, окружающие завод, в безветренные дни задерживали дым, и удушливая едкая пелена затягивала поселок, жилые дома были черные от копоти и сажи. Это являлось уже в тот период причиной возникновения у жителей специфических «чусовских болезней» дыхательных путей и кожи [223].

Статус города Чусовой получил 15 июня 1933 г. Масштабное строительство жилья в городе началось фактически с 1934 г. В этот период были построены кварталы 2 – 4этажных жилых домов в границах современного микрорайона Старый город. Одновременно застраивались микрорайоны индивидуальной жилой застройки. В 1956 г. были развернуты работы по реконструкции и расширению Чусовского завода, созданию на нем более совершенного ферросплавного производства [223].

По мере роста завода увеличивалась потребность в жилье, но территория Старого города, ограниченная с севера горными массивами, а с юга и запада - рекой Чусовой и ее притоками, не давала возможности развернуть новое многоэтажное строительство. В 1962 г. началось сооружение первого многоэтажного дома на левом берегу, однако основное строительство развернулось лишь с возведением автодорожного моста через реку Чусовую в 1964 г. До конца 60-х годов в Новом городе был построен первый микрорайон из десяти домов. В дальнейшем микрорайон Новый город застраивался в основном девяти- и десятиэтажными домами [223]. В настоящее время основная часть населения города проживает в микрорайоне «Новый город». Часть жилых кварталов расположена в непосредственной близости к заводу, в том числе в пределах санитарно-защитной зоны. На территории города можно выделить районы многоэтажной застройки (Старый город, Новый город), малоэтажную жилую застройку (микрорайоны Чунжино, Камасино, Шибаново, Красный поселок, Лисьи гнезда и др.) и промышленные территории. Металлургический завод в процессе развития города оказался в его центре (рис. 2).

Состояние окружающей среды в городе Чусовом. На территории г. Чусового расположены разнопрофильные промышленные и транспортные предприятия. Ведущим загрязнителем природной среды в городе Чусовой является ОАО «ЧМЗ». На его долю приходится более 85% массы загрязняющих веществ от предприятий металлургического комплекса Пермского края. Ежегодный валовой выброс поллютантов составил с 2005 по 2008 года 19,1 – 24,7 тыс. тонн [200]. Специфика загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами во многом определяется схемой производства и сырьем. В состав ОАО «ЧМЗ» входят доменный, сталеплавильный, дуплекс, прокатный и ферросплавный цеха. Поставщиком сырья для металлургического производства является ОАО «Губахинский кокс» г. Губахи Пермского края, а ванадийсодержащие титаномагнетитовые руды и агломерат поступают от Качканарского ГОК Свердловской области.

Ферросплавный цех является основным источником загрязнения окружающей среды соединениями ванадия и марганца.

Известно, что загрязнение окружающей среды металлургическими предприятиями связано с объемами выпускаемой там продукции [85]. На ОАО «ЧМЗ» за 2007 год было выпущено 611 тыс. тонн чугуна ванадиевого, 515 тыс. тонн стали, тыс. тонн сортового проката и 2371 тонн ванадия. Это соответствует примерно 1% от валового выпуска стали, чугуна и проката на предприятиях черной металлургии России [179].

Отходы производства ОАО «ЧМЗ» размещаются в отвале, который начал формироваться еще в 1939 году [150]. Отвал расположен в пойме реки Усьвы и на первой надпойменной террасе (рис. 2). Шлак металлургического производства со временем на поверхности отвала размельчается до пылевидного состояния [179]. Преобладающая фракция (20 – мм) шлакового щебня имеет следующий химический состав:

CaO - 33%, SiO2 - 33%, Al2O3 - 15,2%, MgO - 12%, TiO2 S – 1,6%, Fe – 1,3%, FeO - 1,3%, MnO - 0,7%, V2O5 - 0,2%. Повышенное содержание в шлаке титана и ванадия связано с используемым на заводе сырьем [23]. Шлак ОАО «ЧМЗ» имеет неоднородный минералогический состав. В нем преобладают оксиды железа: магнетит (59,4%) и гематит (38,8%). В значительных количествах присутствуют: монооксид железа - вюстит, карбонаты кальция и магния – портландит, периклаз, брустит, кальцит, доломит и другие [150].

Объем шлаков в отвале оценивается в 150 мнл. тонн [15].

Кроме металлургического завода, определенный вклад в загрязнение окружающей среды вносят следующие предприятия: Чусовской узел Свердловской железной дороги, Чусовской известняковый карьер, завод ЖБК и автотранспортные предприятия. Наиболее неблагоприятная экологическая ситуация, по данным Н.В. Зайцевой [100], в Чусовом сложилась возле заводоуправления ОАО «ЧМЗ», железнодорожного вокзала и микрорайоне «Углежжение». В санитарно-защитной зоне ОАО «ЧМЗ», на расстоянии 200 – 400м от источника выбросов наблюдается угнетение древесной растительности (мелкие листья и преждевременное опадение). Травянистая растительность этой зоны изрежена, имеет бедный ботанический состав, не цветет. Листья растений покрыты слоем пыли [202].

По загрязнению воздушного бассейна город Чусовой относится к неблагоприятным территориям Пермского края.

Он занимает в крае четвертое место по массе загрязняющих веществ и второе место (после г. Перми) по выбросу тяжелых металлов (V, Cu, Mn). Перечень токсичных соединений, поступающих в атмосферу города от разных источников, составляет свыше 70 компонентов [179]. Наибольший вклад принадлежит CO2, FeO, CaO, сернистому ангидриду, окиси ванадия, марганцу и его соединениям, а также тяжелым металлам: Cr, Pb и Cu [100]. В зоне выбросов ОАО «ЧМЗ» на участках селитебных территорий в воздухе кратность превышения ПДК по ванадию, хрому, никелю и марганцу варьирует от 1,1 до 3,5 раза [29]. По данным К.И. Малеева [151], на территории города процент проб воздуха с превышением загрязнителями ПДК составляет 8,1%. По сведениям К.Г. Пугина [179] загрязнение воздуха наблюдается в основном в радиусе 6 км от завода, т.е. практически охватывает всю территорию города.

Качество воды в реке Чусовой вниз по течению от города не соответствует нормативам для водных объектов. Индекс загрязнения воды в 2008г. составил 4,14. Было установлено превышение гигиенических нормативов по меди, марганцу, железу, хрому, на уровне 1,3-10 ПДК в реке Чусовой и меди – до 2,0 ПДК в реке Усьве [193].

Сильное воздействие на химический состав вод рек Чусовая, Усьва и подземные воды в черте города оказывает отвал отходов металлургического производства. На некоторых участках граница отвала совпадает с береговой линией реки Усьвы, и складированные отходы размываются речной водой. Влияние отвала в большей степени сказывается на химическом составе воды в Усьве. Содержание цинка в воде Усьвы по сравнению с фоном выше в 20 раз, в воде р. Чусовой – в 22 раза; содержание титана – в 2 и 7 раз; хрома – в и 9 раз; никеля – в 6 и 9 раз; марганца – в 10 и 6 раз и меди – в 10 и 8, раз соответственно. Отвал оказывает существенное влияние на донные отложения рек города. В донных отложениях в зоне влияния отвала содержание техногенных образований - металловидных шлаковых частиц - достигает до 30,5%. Установлено повышенное содержание в донных осадках (мг/кг) Cr – до 1200, Ni – до 1050, Cu – до 330 [23].

По данным Б.В. Верихова [29], валовое содержание ванадия в почвах селитебной части города Чусового составляет 33,7 мг/кг, а в районе заводоуправления ОАО «ЧМЗ» и прилегающих территорий – 450,0-515,0 мг/кг, что превышает ПДК в 3 – 3,5 раза. В среднем по городу содержание ванадия в почвах превышает ПДК в 1,5 раза.

Высокая техногенная нагрузка на окружающую среду города Чусового и его окрестности является основной причиной роста экообусловленных заболеваний населения города [100]. К одному из основных факторов риска здоровью человека в Чусовом, В.Б. Алексеев [7] относит проживание в неблагоприятных санитарно-гигиенических условиях внешней среды. По данным автора, показатель младенческой смертности в Чусовом по причине экологически обусловленной репродуктивной патологии составляет 4,6%.

Чусовой относится к числу городов Пермского края, где отмечается высокий уровень содержания в крови организма подростков Cr, Pb и Mn. Влияние факторов окружающей среды на здоровье учащихся школ города Чусового детально изучалось сотрудниками ГОУ ВПО ПГМА имени Е.А. Вагнера Росздрава и ГУЗ «Пермский краевой научноисследовательский институт детской экопатологии». Было установлено, что в биосредах детей содержание Ni оценивается выше нормы, а содержание Cr и Pb соответствует высокому уровню [100]. Выявлено, что в результате техногеохимического загрязнения окружающей среды города, у детей происходит рост заболеваемости костно-мышечной системы [29] и хроническим гастродуоденитом, повышается вероятность поражения органов желудочно-кишечного тракта [193].

Антропогенное преобразование окружающей среды при строительстве города привело к изменению почв, растительности и рельефа. В результате увеличения объемов металлургического производства на ОАО «ЧМЗ» и роста его шлакоотвала происходит усиление техногенной нагрузки на территорию города и его окрестности. Особую опасность представляет загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами и ухудшение экологического состояния селитебных территорий Чусового.

Таким образом, основным источником загрязнения окружающей среды города Чусового является ОАО «Чусовской металлургический завод» и его шлакоотвал. К приоритетным элементам загрязнителей воды и воздуха относятся Fe, V, Cr и Mn. Их содержание в компонентах окружающей среды высокое и, как следствие, в биосредах человека содержание этих элементов выше санитарно-гигиенических норм. Техногенная нагрузка на территорию города наносит значительный ущерб здоровью населения. В целом экологическая ситуация в Чусовом является неблагоприятной [200]. Сведения в научной литературе о химическом составе почв города ограничены, а мониторинг загрязнения почв тяжелыми металлами на территории города не осуществляется.

ГЛАВА 3. ХАРАКТЕРИСТИКА

СОСТАВА И СВОЙСТВ ПОЧВ

Почвенные разрезы закладывались на разном удалении от ОАО «ЧМЗ» по двум маршрутам, пересекающим территорию исследований с юго-запада на северо-восток и с юго-востока на северо-запад, что позволило охватить основные типы почв города на разных элементах мезо- и макрорельефа (рис. 2).

Всего на территории города Чусового и в его окрестностях были изучены почвы трех типов ландшафта по классификации И.Н. Панина [168]. В зависимости от степени антропогенного воздействия нами было выделено три типа ландшафтов. 1) Природные ландшафты – участки, подверженные минимальному техногенному воздействию, без существенных изменений внутриландшафтных связей, в основном, это - окрестности города; 2) Антропогенные ландшафты – техногенно-измененные участки, но без существенных изменений рельефа, сформировавшиеся под воздействием сельскохозяйственного использования и небольших промышленных предприятий. Этот тип ландшафта охватывает большую часть территории города и окрестностей, где расположены микрорайоны индивидуальной малоэтажной застройки с садово-огородными участками. 3) Природно-техногенные ландшафты – участки территории, где произошла полная трансформация рельефа и полная замена биотического фактора окружающей среды. Это территория многоэтажной жилой застройки города Чусового в микрорайонах Старый город и Новый город, а также территория шлакоотвала в пойме реки Усьвы и территория ОАО «ЧМЗ» (Рис. 3).

На левобережной части города исследовалась дерновоподзолистая почва (разрез 1 с координатами: широта N58о16.235`, долгота E057o48.436`, абсолютная высота 185 м) в лесопарке с пихтово-еловым древостоем и урбодерновоподзолистые почвы селитебной части микрорайона Новый город с многоэтажной жилой застройкой 60 – 90 г.г. ХХ века.

На садово-огородных участках в микрорайонах малоэтажной индивидуальной застройки Камасино и Чунжино, исследовались агроземы текстурно-дифференцированные (разрез 11 с координатами: широта N58o16.899`, долгота E057o46.394`, абсолютная высота 117 м и разрез 12 с координатами: широта N58o17.089`, долгота E057o48.965`, абсолютная высота м).

На острове Закурье в долине реки Чусовой исследовались аллювиальные серогумусовые почвы, вскрытые тремя разрезами на разных элементах поймы. Разрез 2 (широта N58o17.029`, долгота E057o47.919`, абсолютная высота 117 м) заложен на высокой пойме в южной части острова.

Рис. 3 Картосхема ландшафтного зонирования территории г. Чусового Угодье – заливной луг с естественным разнотравно-злаковым травостоем. Разрез 3 (широта N58o17.212`, долгота E057o47.524`, абсолютная высота 114 м) заложен на низкой пойме в северной части острова. Угодье – ручной сенокос на заливном лугу с разнотравно-злаково-осоковым травостоем.

Разрез 5 (широта N58o17.144`, долгота E057o48.017`, абсолютная высота 116 м) заложен на высокой пойме в пределах микрорайона Закурье в северо-восточной части острова. Использование почвы – газон придомовой территории с естественным разнотравно-злаковым травостоем на улице Закурье 12.