Ключевые слова: Al–Fe-гумусовые почвы, Folic/Histic Albic Podzols, торфяные болотные верховые почвы, Cryic Ombric Fibric Histosols, аэротехногенное загрязнение, тяжелые металлы, Кольский полуостров



Аннотация:

      На Кольском полуострове наиболее распространены торфяные болотные почвы и Al–Fe-гумусовые подзолы (по классификации WRB соответственно Cryic Ombric Fibric Histosols и Folic/Histic Albic Podzols), однако сравнения уровня их загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) никогда не проводилось. Цель данной работы – сравнительный анализ уровня загрязнения ТМ верхних горизонтов торфяных болотных почв и Al–Fe-гумусовых подзолов в зоне воздействия медно-никелевого комбината. Почвенное опробование проведено в 37 близко расположенных местообитаниях для каждого типа почв, находящихся в зоне воздействия атмосферных выбросов комбината «Североникель» (Мурманская обл.). Валовое содержание Ni и Cu в пробах почв определено методом атомно-абсорбционной спектрометрии после их растворения в смеси концентрированных кислот HNO3 и HCl. Статистическая обработка результатов анализа почв проведена в пакете Statistica 12 с использованием непараметрических критериев Краскела–Уоллиса и Манна–Уитни и Вилкоксона. Установлено, что оба типа исследуемых почв значимо не различаются по валовому содержанию ТМ в верхних горизонтах почвенного профиля. Уровень загрязнения сравниваемых почв определяется расстоянием от источника загрязнения, розой преобладающих ветров и орографией местности. Содержание Ni практически во всех образцах почв превышает концентрацию Cu, что обусловлено превышением объемов атмосферных выбросов техногенных соединений Ni по сравнению с содержанием в них соединений Cu. Фитотоксичность обоих типов исследуемых почв варьирует в широких пределах: от ее полного отсутствия до высокой и очень высокой степени. © Петрозаводский государственный университет

Введение

      В настоящее время в зоне воздействия предприятий цветной металлургии наблюдаются нарушения в функционировании биогеоценозов вплоть до полной их деградации с формированием техногенных пустошей (Влияние…, 1990; Лукина, Никонов, 1996; Barcan, 2002; Kozlov, Zvereva, 2007; Динамика…,2009; Кашулина и др.,2018).Эродированные почвы часто имеют повышенную кислотность, обеднены элементами питания и загрязнены различными тяжелыми металлами (ТМ) (Влияние…, 1990; Динамика…, 2009; Евдокимова и др., 2011; Кашулина и др., 2016; Лянгузова и др., 2016; Barcan, 2002; Kozlov et al., 2009). На равнинной территории Кольского полуострова преобладают низко продуктивные лишайниковые и кустарничково-зеленомошные еловые и сосновые леса на Al–Fe-гумусовых подзолах, а также болота или заболоченные территории, для которых характерны почвы болотного типа (Переверзев, 2006; Лукина и др., 2010; Национальный…, 2011).
      Для биогеоценозов особое значение имеет органогенный (для подзолов) или торфяной (для болотных почв) горизонт, который в значительной степени определяет химические свойства, водный и тепловой режим верхнего корнеобитаемого слоя почв, является областью концентрации сосущих корней, банка семян, средой обитания абсолютного большинства видов грибов, микроорганизмов и беспозвоночных и оказывает существенное влияние на организацию и функционирование лесного фитоценоза. В связи с этим представляет интерес провести сравнительный анализ уровня загрязнения органогенных горизонтов Al-Fe-гумусовых подзолов и болотных торфяных почв, на которых произрастают хвойные леса. Цель работы – выявить общие закономерности и особенности загрязнения верхних горизонтов Al-Fe-гумусовых подзолов и торфяных болотных почв в близко расположенных местообитаниях в зоне воздействия атмосферных выбросов комбината «Североникель» (Мурманская обл.).

Материалы.

      Лапландский государственный природный биосферный заповедник и его охранная зона, на территории которых были проведены исследования, расположен в центральной части Кольского полуострова в северо-таёжной лесной зоне, где распространены Al-Fe-гумусовые подзолы и болотные почвы. Вся исследуемая территория подвергается воздействию атмосферных выбросов комбината «Североникель», основными ингредиентами которых являются диоксид серы и полиметаллическая пыль, где преобладают сульфиды и оксиды металлов, а также металлические Ni и Cu (Barcan,2002a,b).
      Динамика объемов атмосферных выбросов ТМ представлена на рис. 1.

Рис. 1. Динамика объемов атмосферных выбросов Ni и Cu комбината «Североникель» за период с 1990 по 2016 гг.
(по официальным опубликованным данным).
1 – Ni, 2 – Cu

Fig. 1. Dynamics of atmospheric emissions of Ni and Cu of the Severonickel plant for the period from 1990 to 2016
(according to official published data)
1 – Ni, 2 – Cu

Для почвенного опробования подбирали по возможности близко расположенные местообитания с подзолами и болотными торфяными почвами (рис. 2, табл. 1). В результате аэротехногенного загрязнения в радиусе примерно 5 км от комбината «Североникель» сформировалась техногенная пустошь со смытым верхним органогенным горизонтом почвы, поэтому наиболее близко расположенный пункт почвенного опробования №24 находился лишь в 6.5 км от комбината.

Рис. 2. Карта – схема территории почвенного опробования.
Обозначения: кружки – болотные торфяные почвы; треугольники – подзолы.

Fig. 2. Map–scheme of soil testing territory. Designations: circles – peat bog soils; triangles – podzols.

Таблица 1. Характеристика пунктов отбора почвенных проб и валовое содержание тяжелых металлов



Примечание. * – 1 – болотная почва; 2 – подзол.
**Географические координаты выражены в соответствии с приведенными на сайте https://yandex.ru/maps.
*** прочерк означает нет данных.

Методы.

      В каждом пункте пробы органогенного горизонта Al-Fe-гумусовых подзолов и верхнего (0–5 см) горизонта болотных торфяных почв отбирали из трех точек, расположенных по треугольнику со стороной 50–100 м, затем индивидуальные пробы объединяли в одну среднюю пробу. Навески почвенных проб нагревали в царской водке (смеси концентрированных кислот HNO₃ и HCl). Содержание металлов в отфильтрованном растворе определяли атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре ААS.36.
      Относительная ошибка определения каждого металла не превышала 10–15%, погрешность определений соответствует нормам погрешности при определении химического состава минерального сырья по III категории точности (ОСТ 41-08-212-04). Контроль правильности и точности результатов анализа осуществлен в соответствии с ОСТ 41-08-214-04 и ОСТ 41-08-265-04.
      Статистическую обработку результатов анализов проводили с помощью пакетов Excel и Statistica. Проведенная проверка распределений содержания ТМ в почвах на соответствие нормальному распределению показала значимое несоответствие этому закону, поэтому для оценки значимости различий применяли непараметрические критерии Краскела–Уоллиса, Манна–Уитни и Вилкоксона.

Результаты.

      Средние значения валового содержания ТМ в верхних горизонтах болотных почв и подзолов составляют: Ni – 402±84 и 387±85; Cu – 247±57 и 226±56 мг/кг соответственно, что в 10–40 (Ni) раз и 6–25 ( Cu ) раз превосходит региональные фоновые величины. Согласно критерию Манна-Уитни оба типа почв значимо не различаются ни по валовому содержанию Ni ( z = – 0.24, p = 0.81), ни по валовому содержанию Cu ( z = 0.39, p = 0.69). Интервалы варьирования содержания ТМ в сравниваемых типах почв также близки: для болотных почв – Ni – 40–2540, Cu – 14–1770, для подзолов Ni – 20–2500, Cu – 12–1635 мг кг (табл.1).
      Нижний предел варьирования содержания ТМ в обоих типах почв близок к региональным фоновым значениям (10–40 мг/кг).
      Превышение максимальных значений содержания Ni и Cu над минимальными составляло в болотных почвах 64 и 126 раз, в подзолах – 125 и 136 раз соответственно. Наименьшими концентрациями Ni и Cu характеризуются почвы следующих пунктов отбора проб: №8, 17–19,33–36, наиболее удаленных от комбината, либо экранируемых сопками от источника атмосферных выбросов загрязняющих веществ (табл. 1, рис. 2).
      Максимальные значения содержания ТМ отмечены в пунктах отбора проб №10 и 29, удаленных в южном направлении примерно на одинаковое расстояние (15 км) от комбината.
      Как видно из рис. 3, отношение концентраций Ni или Cu в болотных почвах к их соответствующему содержанию в подзолах может быть как меньше 1, так и больше 1, и варьирует в достаточно широком интервале от 0.3 до 5.0 раз, при этом минимальные и максимальные различия наблюдаются в разных пунктах отбора проб. Так, например, минимальные различия (0.3 раз) в отношении содержания Ni в болотных почвах к его концентрации в подзолах отмечены в пункте отбора проб №6, для Cu – в №34, а максимальные (4.8–5.0) – в пунктах отбора проб №8 и 32 соответственно.
      Сопоставление данных табл.1 и рис.2 показало, что в 46% от общего числа проб валовое содержание Ni в болотных почвах больше или меньше такового в органогенном горизонте подзолов, одинаковое содержание этого металла в обоих типах почв наблюдается лишь в 8% случаев. В болотных почвах валовое содержание Cu в 55% случаев больше по сравнению с этой величиной в подзолах, в 27% случаев это соотношение имеет обратную величину, и в 12% случаев содержание Cu одинаково в сравниваемых почвах.
      Следует отметить, что в большинстве случаев соотношение валовых концентраций ТМ в почвах изменяется синхронно, т.е. если содержание Ni больше в болотных почвах, то и содержание Cu также больше по сравнению с этими величинами в органогенном горизонте подзолов (табл. 1).

Рис. 3. Отношение содержания Ni или Cu в верхнем горизонте болотных почв
к его содержанию в органогенном горизонте подзолов.
1 - Ni, 2 - Cu
Fig. 3. The ratio of the content of Ni or Cu in the upper horizon of bog soils to its content
in the organogenic horizon of podzols.
1 - Ni, 2 - Cu

      Сравнительный анализ отношения Ni / Cu в болотных почвах и подзолах показал, что практически во всех случаях в обоих типах почв это отношение больше 1, лишь в 5% проб подзолов и 12% проб болотных почв это отношение меньше 1. Интервал варьирования отношения Ni / Cu достаточно широк и составляет в болотных почвах 0.5–3.4, в подзолах – 0.6–6.4 раз.
      Критерий Вилкоксона подтвердил значимое превышение содержания Ni надсодержанием Cu, как в болотных почвах ( z = 4.1, p = 0.0000), так и в подзолах ( z = 4.9, p = 0.0000).
      Это вполне объяснимо, т.к. в составе атмосферных выбросов в период исследований содержание техногенных соединений Ni превышало соответствующее содержание Cu (рис. 1).
      Для оценки пространственного распределения содержания ТМ в верхних горизонтах почв все пункты почвенного опробования были разделены на квадранты по отношению к источнику загрязнения: северо-восточный, юго-восточный, юго-западный и северо-западный. Сопоставление данных о содержании Ni и Cu в исследуемых почвах показывает, что наименьшие концентрации ТМ в почвах обоих типов отмечается в северо-восточном квадранте, а максимальные значения этого показателя наблюдаются в юго-восточном направлении от комбината (табл. 2).
      Согласно критерию Краскела–Уоллиса, между содержанием ТМ в исследуемых почвах в разных квадрантах существуют значимые различия: в болотных почвах – zNi = 9.39, p = 0.024; zCu=9.34, p = 0.025; в подзолах соответственно zNi = 8.69, p = 0.041; zCu = 8.84, p = 0.032. Однако вследствие очень большого интервала варьирования концентраций ТМ во всех рассматриваемых направлениях от комбината (табл. 2), значимые различия, согласно критерию Манна–Уитни ,в содержании N iи Cu в обоих типах исследуемых почв выявлены только между северо-восточным и юго-восточным квадрантами (zNi = 3.32, p = 0.001; zCu = 3.20, p = 0.001).
      Это можно объяснить преобладанием ветров, дующих в южном направлении от г. Мончегорска (Архив…,2018). Соотношение Ni>Cu сохраняется в обоих типах почв во всех направлениях от источника загрязнения, что, как уже говорилось выше, обусловлено соотношением техногенных соединений Ni и Cu в атмосферных выбросах комбината.

Таблица 2. Среднее содержание Ni и Cu в верхних горизонтах болотных почв и подзолов в разных направлениях от комбината «Североникель»



Примечание. * представлены средние значения со стандартными отклонениями,
в скобках приведены минимальные и максимальные значения.

      Корреляционный анализ данных выявил значимую связь между содержанием ТМ в обоих типах почв и расстоянием от комбината, однако значения коэффициентов корреляции не слишком велики: для болотных почв – rNi = – 0.45, rCu = – 0.47, p<0.05; для подзолов – rNi = – 0.43, rCu = – 0.41, p<0.05.
      Сопоставление валового содержания ТМ в верхних горизонтах болотных почв и подзолов с их предельно допустимыми концентрациями (ПДК) (Предельно…, 2006) в почвах показало, что оно в среднем превышает ПДК по Ni в 10 раз, по Cu – 7 раз в обоих типах почв. Интервал варьирования этого показателя для болотных почв достаточно широкий и составляет 0.5–63 (Ni) и 0.4–50 (Cu) раз, для подзолов соответственно 1.0–64 и 0.4–54 раз.
      В пунктах отбора почвенных проб №4, 5, 8, 17–19, 33–36 диапазон превышения ПДК составляет 0.4–2 раз, т.е. можно констатировать, что здесь практически отсутствует техногенное загрязнение почв тяжелыми металлами. Максимальный уровень загрязнения подзолов отмечается в пункте отбора проб №10, а болотных почв – №29, где превышение ПДК составляет соответственно по Ni 63 и 64 раза, по Cu–50 и 54 раза, что свидетельствует об очень высоком уровне загрязнения почв ТМ.
      Однако можно предположить, что вследствие лучшей обеспеченности влагой фитотоксичность болотных почв меньше по отношению к лесной подстилке подзолов. Эта гипотеза получила подтверждение в работах (Кашулина, 2017, 2018; Кашулина и др., 2018). При исследовании распределения общего содержания Ni, Сu, Со, Cd, Pb и Zn в профиле почв шести катен в локальной зоне воздействия медно-никелевого предприятия авторы пришли к заключению, что именно лучшие условия увлажнения в подчиненных элементах ландшафта обусловливают значительно более высокую устойчивость сосудистых растений в этих условиях к воздействию техногенного фактора, даже при экстремальном его уровне.

Заключение.

     
      В результате проведенного сравнительного анализа уровня загрязнения верхних горизонтов торфяных болотных почв и Al–Fe-гумусовых подзолов в зоне воздействия атмосферных выбросов комбината «Североникель» (г. Мончегорск, Мурманская обл.) установлено отсутствие значимых различий в валовом содержании, как Ni, так и Cu в сравниваемых типах почв. Нижние пределы варьирования содержания ТМ в обоих типах почв близки к региональным фоновым значениям и отмечаются либо в наиболее удаленных от источника загрязнения пунктах отбора проб, либо в экранируемых сопками местообитаниях.
      Средние значения валового содержания ТМ в исследуемых типах почв превышают региональные фоновые значения в 6–40 раз, что свидетельствует о высокой степени токсичности этих почв. Уровень загрязнения ТМ верхних горизонтов почв варьирует в достаточно широком диапазоне от полного отсутствия до очень высокого (валовое содержание Ni и Cu превышает ПДК в 50–64 раза) и обусловлен удаленностью от источника атмосферных выбросов (rNi = – (0.43–0.45), rCu = – (0.41–0.47), p<0.05), розой преобладающих ветров (в южном направлении от комбината средние значения содержания ТМ в обоих типах почв значимо больше по сравнению с их концентрациями в почвах северного направления) и орографией местности (экранирование сопками).
      Отношение концентраций Ni/Cu практически во всех пробах исследуемых почв больше 1, т.е. содержание Ni почти всегда превышает таковое для Cu независимо от типа почв, что обусловлено составом атмосферных выбросов техногенных соединений Ni и Cu.

Библиография.

      1. Архив погоды в Мончегорске [Weather archive in Monchegorsk]// Расписание погоды. URL:https://rpru/ (Дата обращения: 14.12.2018).
      2. Влияние промышленного атмосферного загрязнения на сосновые леса Кольского полуострова [The influence of industrial air pollution on pine forests of Kola Peninsula]. Л.: БИН АН СССР, 1990. 195 с.
      3. Динамика лесных сообществ Северо–Запада России [Dynamics of forest communities in the North-West of Russia]. СПб. ООО«ВВМ», 2009.276 с.
      4. Евдокимова Г.А., Калабин Г.В., Мозгова Н.П. Содержание и токсичность тяжелых металлов в почвах зоны воздействия воздушных выбросов комбината «Североникель» [Content and toxicity of heavy metals in soils of the zone affected by aerial emissions from the Severonikel enterprise] // Почвоведение. 2011. № 2. С. 261–268.
      5. Кашулина Г.М., Кубрак А.Н., Баскова Л.А., Коробейникова Н.М. Влияние длительного экстремального загрязнения выбросами комбината "Североникель"на содержание доступных для растений P, K, Ca и Mg в подзолах [Influence of prolonged extreme pollution from the "Severonikel" industrial complex on the content of available for plants forms of P, K, Ca and Mg in podzols] // Вестник МГТУ. 2016. Т.19. №1/2. С. 184–193.
      6. Кашулина Г.М. Экстремальное загрязнение почв выбросами медно-никелевого предприятия на Кольском полуострове [Extreme pollution of soils by emissions of the Copper-Nickel industrial complex in the Kola peninsula] // Почвоведение. №7. С. 860–873. DOI: 10.1134/S1064229317070031
      7. Кашулина Г.М. Мониторинг загрязнения почв тяжелыми металлами в окрестностях медно-никелевого предприятия на Кольском полуострове [Monitoring of soil contamination by heavy metals in the impact zone of copper-nickel smelter on the kola Peninsula] // Почвоведение. 2018. №4. С. 493–505. DOI: 1134/S1064229318040063
      8. Кашулина Г.М., Литвинова Т.И.,Коробейникова Н.М. Сравнительный анализ пространственного распределения загрязненности почв тяжелыми металлами и состояния экосистем в локальной зоне воздействия медно-никелевого предприятия[Comparative analysis of the spatial distribution of soil pollution by heavy metals and the state of ecosystems in the local impact zone of a copper-nickel enterprise] // Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН. 2018. №15. С. 464-467. doi.org/10.31241/FNS.2018.15.118
      9.Лукина Н.В., Никонов В.В. Биогеохимические циклы в лесах севера в условиях аэротехногенного загрязнения [Biogeochemical cycles in the forests of the north under aerotechnogenic pollution]. Апатиты: КНЦ РАН, 1996. Ч. 1. 213 с., Ч. 2. 192 с.
      10.Лукина Н.В., Орлова М.А., Исаева Л.Г. Плодородие лесных почв как основа взаимосвязи почва-растительность [Forest soil fertility: the base of relationships between soil and vegetation] // Лесоведение. 2010. №5. С. 45–56.
      11. Лянгузова И.В., Гольдвирт Д.К., Фадеева И.К. Пространственно-временная динамика загрязнения Al-Fe-гумусового подзола в зоне влияния комбината цветной металлургии [Spatiotemporal Dynamics of the Pollution of Al–Fe-Humus Podzols in the Impact Zone of a Nonferrous Metallurgical Plant] // Почвоведение. 2016. № 10. С. 1261–1276. DOI: 1134/S1064229316100094
      12.Национальный атлас почв Российской Федерации [National Atlas of Soils of the Russian Federation]. М.: АСТРЕЛЬ, 2011. 632 с.
      13.Переверзев В.Н.Современные почвенные процессы в биогеоценозах Кольского полуострова [Modern soil processes in the biogeocenoses of the Kola Peninsula]. М.: Наука, 2006. 153 с.
      14.Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почвах: Гигиенические нормативы [Maximum Permissible Concentrations (MPC) of Chemicals in Soils: Hygienic Standards]. ГН2.1.7.2041-06.М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора,2006.15 с.
      15.Barcan V. Leaching of nickel and copper from a soil contaminated by metallurgical dust // Environmental International. 2002a. V. 28. 1–2. P. 63–68.
      16. Barcan V. Nature and origin of multicomponent aerial emissions of the copper-nickel smelter complex // Environment International. 2002b. V. 28. P. 451–456.
      17. Kozlov M.V., Zvereva E.L. Industrial barrens: extreme habitats created by non–ferrous metallurgy // Rev. Environ. Sci. Biotechnol. 2007. V. 6. P. 231–259.
      18. Kozlov M.V., Zvereva E.L., Zverev V.E. Impacts of point polluters on terrestrial biota. Dordrecht, Heidelberg, London, New-York: Springer, 2009. 466 р.

Благодарности

Авторы благодарят к.б.н. Лянгузова А.Ю., ведущего специалиста Ресурсного Центра «Обсерватория экологической безопасности» Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета за помощь в статистической обработке данных и представлении результатов исследования.