Вследствие распространенного загрязнения компонентов окружающей среды со стороны промышленности, сельского хозяйства, различных видов транспорта и мест размещения отходов неуклонно возрастает их воздействие на сопредельные природные экосистемы [1, 2]. По этим причинам в современном экологическом мониторинге актуализирована оценка состояния природных объектов как индикаторов экологической обстановки на региональном уровне [3–5]. Наряду с гео- и биоэкологической значимостью естественных объектов природы они служат прототипами исконных биогеоценозов и определяют глобальную функцию стабилизации биогеохимических превращений в системе «биотоп – экотоп». По этим и другим причинам природные территории, максимально сохраняющие свой естественный облик [6, 7], необходимо подвергать мониторинговым изысканиям в разрезе их реального экологического статуса.
В научной литературе как фундаментальными [8, 9], так и современными [1] экологическими принципами определяется, что природные компоненты необходимо подвергать геоэкологическому исследованию вне зависимости от ландшафтного ареала и уровня правовой принадлежности. В частности, одним из методических подходов к оценке качества и геоэкологической устойчивости почвенного покрова и местных водоемов является анализ изменения показателей естественного плодородия и уровня загрязненности почв, а также анализ гидрохимических и гидробиологических показателей акваторий.
Целью данной работы явилась рекогносцировочная (предварительная) оценка геоэкологического состояния речной воды и почвенного покрова туристических троп Керженской территории на основе показателей естественного плодородия и уровня загрязненности их почвенного покрова, а также на основе анализа показателей гидрохимического и биохимического состояния воды части акватории реки Керженец.
Материалы и методы исследования
Объектом исследования явилась вода части реки Керженец и почвенный покров туристической тропы, расположенной вдоль правого берега реки Керженец в Борском муниципальном районе Нижегородской области, примыкающего и образующего с юго-западной стороны природную границу с территорией Государственного природного биосферного заповедника «Керженский» [10].
Отбор проб для проведения оценки геоэкологического состояния природных объектов с туристических стоянок проводился 19 октября 2017 г. Начало описываемой территории (точка 1) находилось в непосредственной близости от поселка Рустай, окончание – рядом со стационарной организованной туристической стоянкой (точка 6). Общая длина пути составила 13 км, среднее расстояние между точками варьировало от 2,0 до 2,5 км (рисунок).
Картосхема географического расположения точек отбора проб почвы и воды на территории реки Керженец
Для оценки состояния почвенного покрова и воды реки было произведено описание природно-территориального комплекса (ПТК) на территории, на основании чего была составлена природно-рекреационная характеристика шести туристических стоянок: № 1 «Рыбацкая», № 2 «Ивовая», № 3 «Обеденная», № 4 «Дрoговая», № 5 «Лагуна» и № 6 «Комфортабельная». Почвенный покров территории представлен комплексом подзолистых и дерново-подзолистых почв песчаного, супесчаного и легкосуглинистого гранулометрического состава, образованных на флювиогляциальных и покровных отложениях [11]. Отбор проб почвы проводился общепринятыми нормативными методами по ГОСТ 17.4.3.01-83 и ГОСТ 17.4.4.02-84 при помощи бура-пробоотборника Эйдельмана, отбор проб воды – по ГОСТ 17.1.5.05-85 и ГОСТ 17.1.5.04-81 при помощи батометра гидрологического БГ-1,0.
Лабораторный анализ проб воды и почвы проводился в «Эколого-аналитической лаборатории мониторинга и защиты окружающей среды» при Мининском университете по основным агрохимическим, экотоксикологическим показателям. В образцах почвы определяли обменную кислотность потенциометрическим методом по ГОСТ 26483-85, содержание органического вещества (гумуса) спектрофотометрическим методом по ГОСТ 26213-91, содержание подвижных соединений фосфора и нитратной формы азота спектрофотометрическими методами соответственно по ГОСТ Р 54650-2011 и ГОСТ 26488-85, а также содержание подвижных соединений тяжелых металлов инверсионно-вольтамперометрическим методом на полярографе ТА-Lab в соответствии с ПНД Ф 16.1:2:2:2:3.48-06 (границы, в которых находится погрешность методики (точность), составляет ±30 %).
Анализ образцов воды также проводился по основным гидрохимическим и гидробиологическим показателям [12] в соответствии с общепринятыми стандартизированными методиками. Водородный показатель воды определялся потенциометрическим методом, минерализация – кондуктометрией, общая жесткость – титриметрическим методом. Определение содержания общих фосфатов, общего железа, а также нитратного и аммонийного азота в воде проводилось спектрофотометрическим методом, содержание сульфатов – йодометрическим, а хлоридов – аргентометрическим титрованием.
Биохимическое состояние водоема оценивалось по содержанию растворенного кислорода (метод йодометрического титрования по Винклеру); химическое потребление кислорода определялось по перманганатной окисляемости воды, биологическое потребление кислорода – скляночным методом с термостатированием при +20 °С в течение 7 суток.
Статистическая обработка выполнялась с помощью вариационного анализа данных в программе Excel; аналитическая повторность в опытах трехкратная.
Результаты исследования и их обсуждение
Данные табл. 1 отражают уровень естественного плодородия почвенного покрова с исследованных туристических стоянок. В результате проведенных исследований было установлено, что в целом почвы характеризовались очень низким уровнем гумусированности за исключением почвы в точках I и V, где содержание гумуса находилось на среднем уровне. По степени кислотности встречались среднекислые (точки II и III) и слабокислые (точки I и VI) почвы, а в отдельных случаях (точки IV и V) почва оказалась сильнокислой. Данная пестрота показателей обусловлена сильным перемежением почвенных разностей с различной степенью выраженности дернового и подзолообразовательного почвообразующих процессов.
Таблица 1
Показатели естественного плодородия исследуемого почвенного покрова туристических троп
|
Показатели |
Значение по точкам отбора проб почвы |
Оптимум |
|||||
|
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
||
|
Органическое вещество (гумус), % |
2,31 |
0,31 |
0,14 |
0,56 |
1,03 |
0,25 |
1,6–2,3 |
|
Обменная кислотность (рН), ед. рН |
5,57 |
4,76 |
4,98 |
4,07 |
3,65 |
5,21 |
4,6–5,0 |
|
Содержание подвижного фосфора, мг/кг |
23 |
3 |
10 |
7 |
6 |
6 |
51–100 |
|
Содержание азота нитратов, мг/кг |
0,85 |
2,05 |
1,75 |
2,55 |
0,75 |
1,85 |
8,1–15,0 |
Примечание. Оптимум – средневзвешенное справочное значение показателя относительно почв оптимального естественного педогенеза по Нижегородской области [11] и средней степени их окультуренности.
Содержание в почвах туристических стоянок как подвижных соединений фосфора, так и нитратной формы азота находилось на крайне низком уровне (менее 51 мг/кг по Р2О5 и менее 8,1 мг/кг по NO3–), что также обусловлено изначальным естественным генезисом почв подзолистого ряда.
Содержание подвижных соединений тяжелых металлов в почвенном покрове (табл. 2) не отличалось выраженной вариабельностью (не более 10 %) по точкам отбора и в целом оказалось на низком геохимическом уровне, что, по-видимому, обусловлено региональными особенностями данной местности, отсутствием явных антропогенных источников привнесения тяжелых металлов в почву и генезисом почв подзолистого ряда.
Таблица 2
Показатели геоэкологической устойчивости исследуемого почвенного покрова туристических троп
|
Показатели |
Значение по точкам отбора проб почвы |
ПДК, мг/кг |
|||||
|
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
||
|
Кадмий (Cd), мг/кг |
0,0211 |
0,0514 |
0,0897 |
0,0049 |
0,0494 |
0,0232 |
[0,5] |
|
Медь (Сu), мг/кг |
0,0002 |
0,0002 |
0,0001 |
0,0011 |
0,0016 |
0,0007 |
3,0 |
|
Свинец (Pb), мг/кг |
0,0411 |
0,0603 |
0,0878 |
0,0349 |
0,0526 |
0,2310 |
6,0 |
|
Цинк (Zn), мг/кг |
0,0164 |
0,1730 |
0,2500 |
0,0981 |
0,0846 |
0,2320 |
23,0 |
|
Нефтепродукты, мг/кг |
2,03 |
3,64 |
2,67 |
1,93 |
3,35 |
1,58 |
– |
Примечание. ПДК – предельно допустимые концентрации подвижных соединений тяжелых металлов в почвах согласно ГН 2.1.7.2041-06. В квадратных скобках по нормативному содержанию кадмия в песчаных и супесчаных почвах дано ОДК по ГН 2.1.7.2511-09.
По отдельным точкам прослеживалось некоторое завышение содержания цинка (точка III и VI), свинца (точка VI) и кадмия (точка II), но в целом по уровню содержания ни один из показателей не вышел за пределы установленных санитарно-экологических норм.
Суммарное содержание нефтепродуктов в почвах сохранялось на уровне целых единичных чисел и в несущественной степени (не более чем на 10–11 %) варьировало между точками отбора проб. Несмотря на отсутствие в нормативно-правовой литературе федерального уровня установленных предельно допустимых норм на общее содержание нефтепродуктов в почвах, известно [13, 14], что регионально устанавливаемые пороги концентраций данных экотоксикантов лежат в диапазоне граммов на килограмм почвы. По-видимому, наличие рассматриваемых веществ в почвах может быть обусловлено антропогенными последствиями от организации туристических стоянок на изучаемой местности.
В табл. 3 отражены показатели, характеризующие органолептическое качество и общие свойства воды реки Керженец. Выявлено, что на протяжении всего обследованного маршрутного пути вода реки характеризовалась наличием металлического запаха и достаточно сильно выраженной цветностью (40–95 °), а также средней и высокой степенью мутности (от 1,5 до 7,3 мг/л по Каолину) и, как следствие, слабой и средней прозрачностью (от 15 до 48 см столба Снеллена).
Таблица 3
Органолептические и общие показатели воды реки Керженец
|
Показатели |
Значение по точкам отбора проб почвы |
ПДК |
|||||
|
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
||
|
Запах (при +20 ºС), баллы |
3 Мет |
1 Мет |
2 Мет |
2 Зат |
1 Мет |
2 Мет |
2 – |
|
Цветность (Cr/Co шкала), º |
95 |
40 |
50 |
60 |
40 |
50 |
20 |
|
Мутность (Каолин), мг/л |
7,3 |
5,1 |
3,5 |
1,5 |
4,1 |
3,4 |
1,5 |
|
Прозрачность (Снеллен), см |
15 |
18 |
27 |
48 |
25 |
29 |
60 |
|
рН, ед. рН |
6,94 |
7,16 |
7,26 |
7,37 |
7,39 |
7,40 |
6,5–8,5 |
|
Минерализация общая, мг/л |
87 |
112 |
109 |
111 |
113 |
114 |
1000 |
|
Жесткость общая, мг-экв/л |
1,9 |
1,6 |
1,7 |
1,3 |
2,6 |
1,4 |
7,0 |
Примечание. Мет – металлический запах воды, Зат – затхлый запах воды; ПДК (здесь и далее) – согласно ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования»; ГН 2.1.5.2280-07 Дополнения и изменения № 1 к ГН 2.1.5.1315-03; ГН 2.1.5.2307-07 «Ориентировочные допустимые уровни (ОДУ) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования».
Данные особенности, очевидно, также имеют региональный характер, который зачастую выражается в наличии большого количества взвешенных примесей и органических веществ в водах, а также в завышенных концентрациях в них железа, алюминия и марганца [14, 15].
Несмотря на удовлетворительную органолептическую оценку общие показатели качества воды рассматриваемого проточного водоема не выходили за пределы установленных норм и в целом характеризовали его с приемлемым кислотно-основным балансом, который также составляется благодаря определенному содержанию различных катионов и анионов в воде (табл. 4).
Таблица 4
Показатели катионно-анионного состава и экотоксикологического состояния воды реки Керженец
|
Показатели |
Значение по точкам отбора проб почвы |
ПДК |
|||||
|
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
||
|
Катионно-анионный состав воды, мг/л |
|||||||
|
Железо общее (Fe) |
0,5 |
0,5 |
0,4 |
0,2 |
0,3 |
0,5 |
0,3 |
|
Аммоний (по азоту) |
0,1 |
0,3 |
0,5 |
0,6 |
0,8 |
0,7 |
1,5 |
|
Полифосфаты (по РО43–) |
0,08 |
0,13 |
0,13 |
0,09 |
0,10 |
0,12 |
3,5 |
|
Нитраты (по NО3–) |
3,4 |
4,9 |
5,3 |
6,7 |
9,1 |
8,9 |
45 |
|
Хлориды (по Сl–) |
0,25 |
0,64 |
1,02 |
0,64 |
0,81 |
0,64 |
350 |
|
Сульфаты (по SО42–) |
0,2 |
0,3 |
0,3 |
0,2 |
1,0 |
0,3 |
500 |
|
Экотоксикологическое состояние воды, мг/л |
|||||||
|
Кадмий (Cd) |
0,00008 |
0,00001 |
0,00004 |
0,00006 |
0,00002 |
0,00003 |
0,001 |
|
Свинец (Pb) |
0,0011 |
0,0014 |
0,0015 |
0,0014 |
0,0026 |
0,0037 |
0,01 |
|
Медь (Сu) |
0,0003 |
0,0001 |
0,0006 |
н.п.о. |
н.п.о |
н.п.о. |
1,0 |
|
Цинк (Zn) |
0,0020 |
0,0068 |
0,0020 |
0,0041 |
0,0012 |
0,0026 |
1,0 |
|
Нефтепродукты |
0,08 |
0,09 |
0,01 |
0,01 |
0,03 |
0,09 |
0,30 |
Примечание. н.п.о. – значение показателя оказалось ниже предела обнаружения в соответствии с используемой методикой количественного химического анализа проб воды.
Изо всех изученных показателей качества воды наименее выражено наличие хлорид-анионов (не более 1,02 мг/л), сульфат-анионов (не более 0,2 мг/л) и анионов фосфорных кислот (до 0,08 мг/л). На среднем, но не выходящим за пределы установленных ПДК уровне находился такой показатель, как содержание нитратов (от 3,4 до 9,1 мг/л).
Содержание общего железа в водах в заметной степени (на 33–67 %) превышало установленные нормы, что, очевидно, было связано с геоэкологическими особенностями местности, выражаемыми в повышенном геохимическом уровне сезонного содержания в водах аморфного железа в виде закислых и окислых форм [15].
В части содержания приоритетных экотоксикантов воды ни в одной пробе не было установлено превышений относительно установленных санитарно-экологических норм.
Биохимическое состояние воды определяет протекание практически всех окислительно-восстановительных процессов в водоеме и, одновременно с этим, зависит от большинства естественных и техногенных факторов, оказывающих влияние на его качество. Данные табл. 5 отражают вариабельность показателей биохимического состояния реки Керженец на осенний период 2017 г.
Содержание растворенного кислорода в воде оценивалось как среднее, а уровень загрязненности воды оказался умеренно загрязненным (III класс). Окисляемость воды, выраженная показателем ХПК, наоборот, варьировала в обратном направлении и была наиболее высокой в точках с заниженной концентрацией растворенного кислорода. Интенсивность биологического потребления кислорода (БПК7) также имела градиент в сторону конца маршрутного пути обследования и варьировала от 2,26 (умеренно загрязненные воды) до 4,10 (грязные воды).
Таблица 5
Показатели биохимического состояния воды реки Керженец
|
Показатели |
Значение по точкам отбора проб почвы |
ПДК |
|||||
|
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
||
|
Растворенный кислород, мг О2/л |
7,8 |
7,1 |
7,3 |
7,0 |
6,6 |
6,8 |
>4,0 |
|
ХПКПЕРМАНГ., мг [О]/л |
8,8 |
9,3 |
11,6 |
17,2 |
19,7 |
19,4 |
5,0 |
|
БПК7, мг О2/л |
2,26 |
2,92 |
3,18 |
3,69 |
4,10 |
4,07 |
3,00 |
По-видимому, на территории расположения точки № 6 имелось сильное загрязнение водоема органическим веществом природного происхождения (травянистая, листопадная и древесная фитомассы), в результате чего были активизированы процессы его анаэробной микробиологической деструкции. С другой стороны, нужно отметить, что на данном примере наглядно демонстрированы окислительно-восстановительные реакции акватории, в комплексе представляющие собой естественный геоэкологический барьер, защищающий водоем от переизбытка растительной мортмассы путем ее биохимической минерализации.
Заключение
Проведя предварительную оценку геоэкологического состояния почвенного покрова туристических троп и воды реки Керженец Борского района Нижегородской области, выявлено, что в целом территория характеризуется типичным качеством и не отличается наличием техногенного воздействия. Почвенный покров – средне- и слабокислый, низкогумусированный и обеднен элементами питания естественных фитоценозов, что является типичным признаком почв подзолистого ряда. Содержание подвижных соединений тяжелых в почвах крайне низкое и в несущественной степени варьирует в пределах изученного ландшафта.
Речная вода обладает нейтральной и слабощелочной реакцией, достаточно высоким уровнем цветности и мутности, а также низкой степенью минерализации и общей жесткости. Катионно-анионный состав однороден по точкам отбора и отличается превышенным уровнем в содержании общего железа. Содержание приоритетных экотоксикантов (тяжелые металлы и нефтепродукты) в воде находится на низком уровне и не превышает допустимые значения эколого-санитарных норм. В части оценки гидробиологических показателей установлено, что водоем характеризуется средним содержанием растворенного кислорода и БПК7, а также достаточно высокими значениями перманганатной окисляемости воды.
В целом за период проведенного рекогносцировочного исследования территория протекания реки Керженец не отражает наличия воздействия на нее антропогенных факторов и характеризуется геоэкологически оптимальным состоянием.