Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Хорошо изучено влияние показателя кислотности (рН) почв и грунтов (далее «грунтов») на образование различных форм металлосодержащих соединений с различной степенью подвижности. В трудах Глазовской М.А., Ефимова В.Н. описаны действующие в грунтах механизмы, приводящие к трансформации техногенных потоков тяжелых металлов (ТМ): почвы с тяжелым гранулометрическим составом, высоким содержанием гумуса, характеризующиеся нейтральным или слабощелочным рН, способствуют переходу металлов в малоподвижные и неподвижные (хелатные) формы, снижают их миграционную способность. В почвах с легким гранулометрическим составом, рН < 5 и низким содержанием гумуса мобильность ТМ повышается, что негативно сказывается на экологической ситуации [1; 2]. В диссертации Дабахова М.В. отмечается, что подвижность ТМ в грунтах тесно связана со свойствами жидкой фазы: при рН ≥ 7 (зона чернозема) она незначительна; в кислых и сильнокислых средах (характерно для таежно-лесной почвы, подзола) мобильность металлов возрастает [3]. В работе Корчагиной К.В. отмечается, что рост рН приводит к увеличению прочности соединений ТМ с почвенными компонентами [4].

Обратное воздействие накопления ТМ в грунтах на изменение их рН изучено мало. При этом получены противоречивые выводы, так как результаты исследований зависят от множества факторов, которые сложно учесть в реальных условиях (природа грунтов, степень их преобразованности, природа и соотношение концентраций всех загрязнителей, прямо или косвенно влияющих на рН и др.) [5; 6].

Цель исследования: исследование влияния загрязнения рН-определяющими компонентами грунтов различной природы на изменение их кислотности.

Материалы и метод исследования

Исследования проводили в течение одиннадцати лет на территории авиационно-ракетного кластера, расположенного в г. Воронеж и включающего аэродром государственной авиации «Балтимор», испытательный комплекс ракет-носителей АО «Конструкторское бюро химавтоматики» («КБХА»), промышленную, рекреационную и селитебную зоны. На территории площадью 176 км2 отбирали в 12 контрольных точках пробы грунтов глубиной до 30 см 2–4 раза в год. Карта-схема точек пробоотбора и методики представлены в работе, опубликованной ранее [7].

Результаты мониторинга рассматривали, сгруппировав участки отбора проб по функциональным признакам и с учетом преобладающих типов грунтов. Такой подход дает возможность использовать показатель кислотности грунтов в качестве одного из критериев оценки экологической ситуации на исследуемой территории. Надо отметить, что типы грунтов исследуемого района характеризуются значительным разнообразием. Во всех функциональных зонах, кроме рекреационной и некоторых участков селитебной зон, приповерхностные отложения имеют техногенное происхождение. На первом этапе исследований в каждой контрольной точке устанавливали превалирующий тип грунтов, степень их преобразованности, основные физико-химические характеристики. Кислотность солевой вытяжки грунтов устанавливали с применением рН-метра.

К основным рН-определяющим загрязнителям грунтов авиационно-ракетного кластера относятся следующие компоненты: тяжелые металлы (свинец Pb, марганец Мn, цинк Zn, кадмий Cd, медь Cu, никель Ni), нитрат- и нитрит-ионы (NO3- и NO2-) [8]. ТМ в грунтах определяли с применением атомно-абсорбционного спектрометра «Квант-Z-ЭТА-1»; совместное содержание NO3- NO2- в пересчете на нитрат-ион измеряли с помощью спектрофотометра «Юнико 1201». Применяемые методики определения загрязнителей грунтов аттестованы в установленном порядке. Средства измерений в соответствии с требованием законодательства РФ в области обеспечения единства измерений включены в Госреестр и прошли поверку (ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии Воронежской области»).

Уточненный суммарный показатель загрязнения грунтов тяжелыми металлами SТМ рассчитывали по формуле, приведенной в работе [9]. В этой же работе представлены ранги уровней загрязнения грунтов авиационно-ракетных кластеров приоритетными загрязнителями. Этот показатель отличается от общепринятого тем, что учитывает все загрязнители независимо от соотношения их фактических концентраций с фоновыми. Поэтому SТМ является более точным и чувствительным показателем суммарного загрязнения грунтов урбанизированных территорий, подвергающихся разнообразному техногенному воздействию.

Корреляционный анализ между содержанием загрязнителей грунтов и изменением их рН проводили по ранговому коэффициенту Спирмена, применяющемуся для исследования распределений, отличных от нормальных [10].

Результаты исследования и их обсуждение

Охарактеризовать в целом кислотно-основные свойства почв/грунтов на территории возможно на основе анализа распределения рН по рангам (рисунок). Полученное распределение отличается асимметрией, связанной с преобладанием значений, соответствующих щелочному показателю среды с рН > 7,5 в отдельные годы наблюдений, соответствующие залповым выбросам испытательного комплекса, началу реконструкции взлетно-посадочной полосы аэродрома. Примерно одинаковое количество проб соответствует рангам кислотности грунтов {слабо кислые + нейтральные} (40,9 %) и {слабо щелочные + щелочные} (50,6 %). Эти данные уточняют и расширяют ранее полученные сведения о преобладании нейтральных и слабокислых грунтов на территории г. Воронеж и свидетельствуют о высокой и разнообразной техногенной нагрузке, которую испытывают грунты на изученной территории.

В результате одиннадцатилетнего геомониторинга установлено, что во всех точках отбора грунтов рН снижается, за исключением территории комплекса металлургического производства. Серые лесные почвы, характерные для территории комплекса, изначально имеют высокое значение рН, близкое к нейтральному. Среднее значение рНср грунтов комплекса металлургического производства за истекший период составило 7,6 ± 2,5 ед.

На территории испытательного комплекса ракет-носителей с сильно преобразованными грунтами кислотность снизилась на 1,3 ед. рН. Среднее значение рНср в этой точке составляет 7,2 ± 1,4. Здесь же надо отметить постоянное максимальное содержание в грунтах нитрат-ионов (до 22 значений фоновых концентраций, равных 0,0223 ± 0,0089 мг/кг). Это объясняется тем, что нитраты являются продуктами трансформации оксидов азота, выделяющихся в больших количествах при огневых испытаниях двигателей ракет-носителей.

В рекреационной и селитебной зонах рН чернозема уменьшился на 1,3 ед. при среднем значении рНср = 7,2 ± 1,2; супеси – на 1,1 ед. (рНср = 7,1 ± 1,2); в грунтах с преобладающим содержанием суглинков кислотность понизилась на 2,3 ед. при среднем значении 7,3 ± 2,2.

Проведенные многолетние исследования показывают, что на значение рН грунтов в районах с высокой техногенной нагрузкой главное влияние оказывают масштабность и химический состав близлежащих источников выбросов. Буферная емкость грунтов, зависящая в первую очередь от числа минеральных компонентов почвенного профиля и содержания гумуса, в условиях постоянной и интенсивной нагрузки нивелируется. При залповых выбросах характер изменения рН грунтов на прилегающих территориях к комплексу металлургического предприятия, испытательного комплекса ракет-носителей идентичен и не зависит от природы грунтов. Затем следует длительное (на протяжении нескольких лет) восстановление исходных кислотно-основных свойств грунтов. При этом скорость саморегенерации для различных типов грунтов значительно различается. Анализ многолетних результатов наблюдений позволил установить, что на способность грунтов к саморегенерации значительно влияют их исходные свойства и преобладающий тип. Наиболее длительное восстановление рН после залповых выбросов характерно для обедненных гумусом грунтов с нарушенным естественным покровом. Так, за пятилетний период рН урбанозема на территории комплекса металлургического производства восстановился от 9,2 ед. рН до 8,2 (при исходном значении рН = 7,4), тогда как на прилегающей к комплексу территории в зоне серых лесных почв восстановление рН произошло полностью (от 9,1 до 7,2 ед. рН).

В целом на всей исследуемой территории происходит постепенное снижение показателя кислотности грунтов, что характерно для городских агломератов с интенсивным химическим воздействием на депонирующие среды. В селитебной зоне в точках отбора проб, удаленных от главных источников выбросов и в большей мере сохранивших свой естественный почвенный покров, наблюдается равномерное снижение показателя кислотности: за 11 лет в среднем он уменьшился на 12 %. На территории испытательных стендов ракет-носителей рН уменьшился на 18,5 %.

Одним из основных факторов, влияющим на подвижность металлов, является рН грунтов. Это влияние взаимное: образующиеся комплексы и гидроксиды ТМ частично растворимы, их растворимость возрастает с увеличением содержания влаги в грунтах, при этом рН среды также должен увеличиваться. Одновременно образующиеся в грунтах соли ТМ (в том числе, изученные нитраты) при гидролизе обусловливают кислую реакцию среды. Поэтому при высоком загрязнении грунтов нитратами повышение концентрации ТМ должно приводить к закислению грунтов и, следовательно, к увеличению подвижности металлов.

На практике же корреляционная связь концентрации тяжелых металлов и нитрат-ионов с рН грунтов характеризуется высоким разбросом значений RS и может проявлять различные направления независимо от уровня загрязнения и типа грунтов, функциональной зоны и интенсивности химического загрязнения грунтов. Однако если рассматривать соотношения среднего суммарного показателя загрязнения грунтов тяжелыми металлами к средней концентрации нитратов с учетом техногенного фона, то наблюдается интересная зависимость: все точки отбора проб по характеру изменения рН и направленности корреляционной связи между SМЕТ от рН среды делятся на две группы (таблица).

К первой группе относятся грунты, в которых всегда соблюдается соотношение уточненного суммарного показателя загрязнения грунтов тяжелыми металлами к коэффициенту концентрации загрязнения грунтов нитратным азотом SМЕТ:(СNO3/ ФNO3)ср < 20. Для них характерны слабокислые, слабощелочные или нейтральные значения рН, не выходящие за пределы нормы для преобладающих типов грунтов. Теснота связи между содержанием металлов и рН среды, как правило, имеет отрицательное направление.

Вторую группу составляют грунты с высоким превалированием тяжелых металлов над концентрацией нитратов (SМЕТ:(СNO3/ ФNO3)ср > 20). Здесь разброс рН грунтов изменяется от кислых до щелочных значений, но для всех проб (независимо от места их отбора) характерна положительная связь между уточненным суммарным показателем и рН среды.

Установлено, что при незначительно повышенном содержании NO3- в грунтах увеличение концентрации тяжелых металлов может приводить к их подкислению, что согласуется с ранее полученными данными. При этом рН грунтов изменяется от слабо кислого до слабо щелочного, не выходя за установленные нормы для исследуемых типов грунтов.

При превалирующем содержании металлов в грунтах происходит их подщелачивание, при этом рН может отклоняться от нормы. Это объясняется тем, что при высокой и постоянной нагрузке грунтов тяжелыми металлами увеличивается содержание их водорастворимой формы, снижается доля адсорбционно-связанных тяжелых металлов. Для исследуемых тяжелых металлов и нитрат-ионов установлено, что подщелачивание грунтов начинается, когда их суммарное содержание превышает содержание нитратов более чем в 20 раз (характерно для комплекса металлургического производства, где концентрации металлов превышают фоновые в десятки раз, а также реконструируемого аэродрома и прилегающих к ним территорий из-за проводимых строительных работ, перемещения больших объемов грунтов, использования при строительстве новой взлетно-посадочной полосы привозного грунта).

Из всех исследуемых в работе точек отбора проб не подчиняются полученному соотношению грунты на территории поселка Малышево (вблизи свалки твердых бытовых отходов) [7]. Для более точного установления влияния содержания загрязнителей на рН грунтов урбанизированных территорий необходимо знать полный качественный и количественный состав загрязнителей, которые могут влиять на показатель кислотности среды.

Заключение

На динамику рН поверхностного слоя грунтов в условиях интенсивного и разнообразного техногенного воздействия не оказывает влияние тип преобладающих грунтов. При исследовании техногенного изменения рН грунтов необходимо в первую очередь рассматривать совокупное разнонаправленное влияние рН-образующих загрязнителей и интенсивность загрязнения грунтов. Полученные корреляционные зависимости позволяют прогнозировать уменьшение или рост значений рН грунтов под воздействием определенных источников выбросов с различным соотношением тяжелых металлов и оксидов, преобразующихся в грунтах в анионы сильных кислот. Напротив, зная характер зависимости изменения показателя кислотности грунтов, можно прогнозировать природу преобладающих загрязнителей.