Исследования проводились на территории западного склона Сура-Свияжского междуречья Приволжской возвышенности. Район исследования условно разделен на две зоны: трансформированную техногенезом (зона 1) и относительно устойчивую (зона 2) – территория государственного природного заповедника (ГПЗ) «Присурский» [1, 2]. В северной части района исследования (зона 1) расположены сельскохозяйственные территории и населенные пункты: города Шумерля и Вурнары. В южной находится ГПЗ «Присурский», занимая большую часть исследуемой территории. На территории заповедника введен охранный режим, так что данный участок можно считать ненарушенным техногенезом или фоновым.
Основоположниками геохимии ландшафта в нашей стране являются Б.Б. Полынов, М.А. Глазовская, А.И. Перельман, Н.С. Касимов [3–6]. Большинство современных исследований, посвященных миграции металлов, опираются на сравнение полученных данных с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) и ориентировочно допустимыми концентрациями (ОДК). Однако наблюдается и использование комплексного подхода [7–9].
Цель исследования – изучение миграции тяжелых металлов (ТМ) и их влияния на здоровье местного населения. Актуальность темы исследования выражается в том, что тяжелые металлы являются одними из распространенных поллютантов. Они способны к миграции из почвы в растительность, а затем, концентрируясь в организме животных и человека, вызывать хронические заболевания и онкозаболевания. Таким образом, изучение особенностей аккумуляции металлов в почвах позволяет наметить меры для принятия управленческих решений по сохранению устойчивости экосистем [10].
Материалы и методы исследования
В основу работы положены материалы полевых исследований, в процессе которых изучалось состояние экосистем территории западного склона Сура-Свияжского междуречья Приволжской возвышенности. Они проводились в 2008 и 2019 гг. с целью сопоставления данных и получения прогноза развития экологической ситуации.
Пробы почв отбирались из горизонтов А, В, С, донных отложений и растений (мха). Затем определялись концентрации ТМ в почвах в 2008 и 2019 гг. (табл. 1, 2). Подвижные формы ТМ в пробах почв 2008 г. (табл. 1) определялись в вытяжке по методу Баскомба [11], позволяющему экстрагировать связанные с органическим веществом формы методом пламенной абсорбции [12]. В 2019 г. определялись также подвижные формы металлов в почве и донных отложениях, но вытяжкой 1 н НСl [13].
Для прогноза дальнейшей ситуации на изучаемой территории был применен метод цифрового моделирования [14]. Для определения корреляции загрязнения почв ТМ, донных отложений, поверхностных вод в базу данных были включены сведения о злокачественных заболеваниях населения [10].
Таблица 1
Концентрации тяжелых металлов в некоторых точках на исследуемой территории Сура-Свияжского междуречья Приволжской возвышенности
|
Место отбора образца |
Cu |
Zn |
Mn |
|
мг/кг |
|||
|
Точка Ж. Верховое болото, сфагнум, зола |
10,71 |
4,65 |
8,96 |
|
Точка Е. Супесчаная дерново-подзолистая иллювиально-железистая на древнеаллювиальных песках, А1А2 |
21,58 |
16,21 |
9,50 |
|
ВFeС |
20,93 |
11,96 |
20,87 |
|
D |
23,36 |
10,27 |
0,49 |
|
Точка Д. Дерновая почва центральной поймы, А1 |
36,79 |
21,39 |
36,75 |
|
В |
28,39 |
16,81 |
19,64 |
|
ВFe С |
28,08 |
30,59 |
37,99 |
|
О. Кулюкары, донные отложения, h = 1,0 м |
29,70 |
17,21 |
95,97 |
|
h = 2,0 м |
30,78 |
21,53 |
253,07 |
|
h = 3,2 м |
40,28 |
26,12 |
333,92 |
|
О. Щучье, донные отложения h = 5,0 м |
30,04 |
18,92 |
223,48 |
|
h = 8,7 м |
27,17 |
17,82 |
344,54 |
Примечание: 2008 г., подвижные формы, связанные с органическим веществом (мг/кг).
Таблица 2
Концентрации тяжелых металлов в некоторых точках на исследуемой территории Сура-Свияжского междуречья Приволжской возвышенности
|
Место взятия образца |
Cd |
Cr |
Cu |
Fe |
Mn |
Pb |
Zn |
|
Точка 1. Горизонт А1 Ельник-зеленомошник |
0,046 |
0,001 |
1,0 |
51,5 |
10,7 |
0,25 |
0,82 |
|
Горизонт А2 |
0,0023 |
0,001 |
0,46 |
45,0 |
9,45 |
0,20 |
0,39 |
|
Горизонт В |
0,0001 |
0,001 |
0,65 |
13,9 |
2,68 |
0,13 |
0,82 |
|
Горизонт С |
0,010 |
0,102 |
0,59 |
96,5 |
4,30 |
0,087 |
0,39 |
|
Точка 2. Горизонт А1 Смешанный лес |
0,039 |
0,153 |
0,90 |
479 |
22,8 |
0,42 |
1,69 |
|
Горизонт А2 |
0,035 |
0,001 |
1,00 |
120 |
2,82 |
0,25 |
0,61 |
|
Горизонт ВС |
0,0001 |
0,001 |
1,05 |
175 |
3,45 |
0,30 |
2,59 |
|
Точка 3. Горизонт В. Пахотное поле. Люцерна. |
0,014 |
0,272 |
1,69 |
159 |
6,15 |
0,35 |
1,16 |
|
Горизонт С. Дерново-слабоподзолистая |
0,017 |
0,166 |
1,11 |
121 |
2,11 |
0,18 |
1,15 |
|
Точка 4. Горизонт А1-А2. Поле. Разнотравье. |
0,0001 |
0,172 |
0,56 |
457 |
10,1 |
0,34 |
0,33 |
|
Горизонт В |
0,031 |
0,001 |
1,41 |
150 |
7,53 |
0,35 |
1,63 |
|
Горизонт ВС |
0,016 |
0,147 |
1,08 |
118 |
4,45 |
0,31 |
1,63 |
|
Точка 5. Горизонт А1. с. Чертоганы. Широколиственный лес. ЛЭП. Вырубка |
0,0001 |
0,001 |
1,03 |
80,9 |
27,2 |
0,94 |
1,00 |
|
Горизонт В |
0,0073 |
0,001 |
1,37 |
184 |
7,53 |
0,26 |
0,93 |
|
Горизонт ВС |
0,017 |
0,001 |
1,42 |
166 |
3,44 |
0,30 |
0,79 |
|
Точка 6. Горизонт А1. Чернозем. Пойма реки Сура |
0,057 |
0,086 |
2,12 |
450 |
21,2 |
0,76 |
3,07 |
|
Горизонт ВС |
0,038 |
<0,001 |
0,93 |
175 |
6,19 |
0,20 |
0,88 |
|
Точка 7. Горизонт А1 |
0,013 |
<0,001 |
0,80 |
39,0 |
12,7 |
0,26 |
1,15 |
|
Горизонт А2 |
0,034 |
<0,001 |
0,85 |
37,3 |
4,95 |
0,085 |
0,28 |
|
Горизонт С |
0,026 |
<0,001 |
0,76 |
57,4 |
2,88 |
0,055 |
0,26 |
|
Точка 8. Горизонт А1 |
0,014 |
<0,001 |
0,78 |
49,5 |
13,1 |
0,32 |
7,9 |
|
Горизонт А2 |
0,045 |
<0,001 |
0,80 |
67,2 |
7,95 |
0,16 |
1,69 |
|
Горизонт ВС |
0,014 |
<0,001 |
0,87 |
98,7 |
3,07 |
0,074 |
0,56 |
|
Точка 9 (пойма р. Сура) А1 |
0,024 |
<0,001 |
1,29 |
167 |
6,73 |
0,28 |
0,86 |
|
Горизонт В |
<0,0001 |
0,034 |
1,22 |
117 |
7,87 |
0,18 |
0,75 |
|
Точка 10. Горизонт А1 |
0,033 |
<0,001 |
1,23 |
66,7 |
5,90 |
0,17 |
0,42 |
|
Горизонт В |
0,001 |
<0,001 |
0,92 |
44,1 |
1,14 |
0,046 |
2,52 |
|
Точка 11. Красный октябрь. Подзолистая супесчаная почва. Горизонт А1/А2 |
0,008 |
<0,001 |
1,10 |
61,1 |
13,3 |
0,24 |
1,18 |
|
Точка 12. Горизонт А2 |
0,032 |
<0,001 |
1,12 |
22,8 |
2,52 |
0,105 |
0,47 |
|
Горизонт В |
<0,0001 |
<0,001 |
1,11 |
50,6 |
2,25 |
0,051 |
0,70 |
|
Горизонт ВС |
0,025 |
<0,001 |
0.92 |
72,5 |
1,46 |
0,044 |
0,20 |
|
Горизонт С |
<0,0001 |
<0,001 |
0,88 |
24,0 |
0,76 |
0,026 |
0,26 |
|
Точка 13. Горизонт В |
<0,0001 |
<0,001 |
0,91 |
74,4 |
7,76 |
0,099 |
0,46 |
|
Горизонт ВС |
<0,0001 |
<0,001 |
0,87 |
87,3 |
5,81 |
0,088 |
0,43 |
|
Точка 14. Горизонт В |
0,010 |
<0,001 |
0,72 |
884 |
3,58 |
0,35 |
0,16 |
|
Горизонт ВС |
0,001 |
<0,001 |
0,95 |
162 |
0,24 |
0,068 |
0,27 |
|
Точка 15. Горизонт А2/В |
0,005 |
0,212 |
0,82 |
584 |
14,8 |
0,424 |
1,45 |
|
Горизонт С |
0,001 |
0,328 |
0,67 |
275 |
5,44 |
0,19 |
0,72 |
|
Точка 16. Горизонт А1. Сура. Затон. Разнотравье |
0,017 |
0,237 |
1,99 |
535 |
15,0 |
0,59 |
2,46 |
|
Горизонт ВС |
0,029 |
0,279 |
2,33 |
573 |
16,1 |
0,54 |
2,26 |
|
Горизонт С |
0,014 |
0,099 |
1,71 |
545 |
10,2 |
0,53 |
2,79 |
|
Точка 17. Горизонт А1/А2. Сосны. Ягель |
0,011 |
0,133 |
0,16 |
32,3 |
0,93 |
0,12 |
0,14 |
|
Горизонт ВС |
0,035 |
0,203 |
0,24 |
21,4 |
0,64 |
0,031 |
0,10 |
|
Точка 18. Горизонт А1. «Август». Затон |
0,035 |
0,372 |
2,00 |
235 |
34,7 |
0,90 |
1,80 |
|
Горизонт В |
-0,003 |
0,305 |
1,37 |
300 |
18,3 |
0,48 |
1,41 |
|
Горизонт ВС. Ил. |
0,014 |
0,292 |
1,20 |
316 |
19,3 |
0,65 |
3,09 |
|
Вода. Сура – Порецкое |
0,003 |
0,300 |
0,069 |
0,57 |
0,10 |
0,009 |
0,029 |
|
Вода. Сура – Алатырь |
<0,0001 |
0,224 |
<0,001 |
0,22 |
0,03 |
<0,001 |
0,029 |
|
Вода. Вурнары – Август. Пруд |
0,018 |
0,196 |
<0,001 |
0,53 |
0,10 |
0,002 |
0,072 |
Примечание: 2019 г., подвижные формы (мг/кг).
Показатели состояния окружающей среды (ОС) территории заповедника ГПЗ «Присурский» можно считать фоновыми, так как благодаря охранному режиму техногенное влияние в его пределах минимально и возможно только с перемещением воздушных масс.
Результаты исследования и их обсуждение
Как следует из полученных данных (табл. 2), во всех пунктах наблюдения значительны концентрации подвижных форм меди (до 2,33 мг/кг). Однако данный показатель не превышал ПДК (3 мг/кг). 1,69 мг/кг меди зарегистрировано в точке 3, пахотное поле, засеянное люцерной. Медь здесь концентрировалась в результате внесения удобрений. Концентрация меди, равная 2,12 мг/кг, зафиксирована в точке 6, находящейся в непосредственной близости города Шумерля. Также значительны концентрации меди вблизи города Алатырь – 1,99 мг/кг. Это связано, по-видимому, с техногенным влиянием города и широко развитой в нем химической промышленностью. Концентрация подвижных форм меди в точке 18, находящейся рядом с химическим заводом «Август», равнялась 2 мг/кг.
Почвенные пробы, взятые в 2008 г., были проанализированы на содержание форм металлов, связанных с органическим веществом. Концентрации меди более чем в 12 раз превышали ПДК для подвижных форм (36,79 мг/кг в пойменной почве зоны 2). Концентрации подвижных форм меди в пахотных почвах зоны 1 также превышали ПДК в 6,7 раз (20 мг/кг). Высокие концентрации меди и других металлов в пахотных почвах связаны с внесением удобрений, которые, как известно, содержат повышенные концентрации тяжелых металлов [13].
По данным Х. Чулджиян и др. предельно допустимая концентрация подвижных форм кадмия равна 1,0 мг/кг. В пробах 2019 г. концентрация подвижных форм кадмия максимально равнялась 0,057 мг/кг в точке 6, рядом с г. Шумерля. В пахотных почвах концентрации подвижной формы кадмия в полтора раза превышала ПДК, что связано с поступлением кадмия в составе удобрений, а также в результате сжигания нефти и угля [2].
ПДК подвижных форм хрома равна 6,0 мг/кг. Все пробы почв 2019 г. не превышали ПДК по подвижным формам хрома. Максимальные концентрации зарегистрированы у химического завода «Август» и равны 0,372 мг/кг. Источниками поступления хрома в почвы является сжигание каменного угля, а также в процессе использования комплексных удобрений [13].
Концентрации железа значительны вблизи г. Вурнары (до 479 мг/кг) в т. 2, находящейся у сельскохозяйственных ландшафтов, до 235 мг/кг в т. 18. В самых северных, исследованных нами районах (точки 3 и 4) – содержания ТМ не превышали ПДК. По мере приближения к городу концентрации железа увеличиваются с 39 (т. 7) до 80 мг/кг (т. 5). В т. 9 (пойма р. Сура) концентрации железа в верхнем горизонте доходили до 167 мг/кг. Это связано со смывом с вышележащих ландшафтов: транзитных и автономных, а также накоплением железа в органогенном горизонте супераквального ландшафта. Как известно, подвижные формы металлов легко образуют неподвижные (металлорганические) комплексы с гуминовыми кислотами верхних органогенных горизонтов почв. В т. 13–15, находящихся на территории ГПЗ «Присурский», концентрации ТМ не превышали ПДК. Концентрации железа доходили до 884 мг/кг в иллювиальном горизонте почв. Для подзолистых почв характерна аккумуляция ТМ в иллювиальном горизонте, поскольку из горизонта А активно вымываются коллоиды и, попадая в горизонт В, адсорбируют многие ТМ, в том числе железо. Кроме того, влияние оказывают почвообразующие породы. В т. 16 (территория ГПЗ) также отмечается аккумуляция меди и железа в иллювиальном горизонте: меди – до 2,39 мг/кг, а железа – 573 мг/кг.
Таким образом, на территории Сура-Свияжского междуречья зарегистрированы максимальные концентрации железа в иллювиальном горизонте ГПЗ «Присурский» – 884 мг/кг, что связано с влиянием почвообразующих пород.
На основе изученных данных составлен прогноз накопления ТМ в почве до 2040 г. при условии сохранения тенденции загрязнения. Прогноз проводился с помощью математического метода временного ряда или ряда динамики – последовательность статистических данных об аккумуляции металлов исследуемого района. Для анализа временных рядов использовалась линейная регрессия. Основой модели выступает гипотеза о существовании дискретного внешнего фактора X(t), имеющего влияющую на рассматриваемый процесс Z(t) связь между фактором и процессом, представленной в виде линейной функции. Модель прогнозирования временного ряда на основании линейной регрессии описывается уравнением [1]:
Z(t) = a0 + a1 × X(t) ± Et , (*)
где a0 и a1 – коэффициенты регрессии; Et – ошибка модели.
За X(t), дискретный внешний фактор, принималась доля ПДК каждого металла, которая и изменялась со временем.
Кадмий является токсичным элементом 1-го класса опасности, легко мигрирующим из почвы в растительность, и, попадая в организм человека, аккумулируется преимущественно в печени и почках. Кадмий обладает канцерогенными и мутагенными свойствами. А также снижает активность витамина Д, вызывая размягчение костей скелета, множественные нарушения метаболизма [10]. Основными источниками поступления кадмия в почву являются промышленные выбросы предприятий, автотранспорт, а также сточные воды и удобрения. С 2008 до 2040 г. прогнозируется увеличение концентрации кадмия в почвах. На автономном ландшафте рядом с г. Вурнары с химическим производством кадмий будет аккумулироваться наиболее интенсивно в верхнем органогенном горизонте (А) супераквального ландшафта. Наименьшими концентрациями металла характеризовались почвы транзитного ландшафта, благодаря хорошему промывному режиму. Такая тенденция сохранится и согласно прогнозу.
Хром поступает в почву вследствие сжигания каменного угля на предприятиях и является канцерогенным элементом. Как известно, пойменные почвы имеют устойчивую тенденцию к аккумуляции хрома почвами, а также в иллювиальном горизонте дерново-подзолистых почв [8].
В 2008 г. для экстрагирования металлов (меди, марганца, цинка) была выбрана вытяжка по методу Баскомба, позволяющая экстрагировать формы металлов, связанные с органическим веществом. Также в 2008 г. был выбран для исследования супераквальный ландшафт, аккумулирующий металлы (у оз. Щучье), находящийся гипсометрически ниже участков автономных и транзитных ландшафтов. Почвы тут характеризовались активным процессом глееобразования, который связан со смещением реакции среды в кислую сторону, что способствует аккумуляции меди, марганца и цинка [11].
Анализ данных о повышении уровня онкологической заболеваемости жителей района исследования [10] показал тенденцию увеличения заболеваний в Шумерлинском и Вурнарском районах во времени. Это связано с тем, что канцерогенные металлы аккумулируются почвами ландшафтов, расположенных гипсометрически ниже автономных. Металлы накапливаются в верхних горизонтах почв в виде металлоорганических соединений, которые по цепи питания переходят в растительность и далее аккумулируются в организме человека. Таким образом, расположенный на автономном ландшафте завод химических препаратов может способствовать увеличению количества онкозаболеваний населения, проживающего гипсометрически ниже, в пойме реки Суры.
Заключение
Результатами исследования является установленная закономерность аккумуляции тяжелых металлов в компонентах ОС в пределах зон ненарушенных и нарушенных техногенезом ландшафтов и прогноз развития состояния экосистемы, при условии сохранения тенденции загрязнения к 2040 г. Кроме того, выявлена зависимость онкозаболеваний от загрязнения почв ТМ.
Сделан прогноз с 2019 по 2040 г. тенденции увеличения концентрации кадмия и хрома в почвах с течением времени. Это связано с ростом промышленности и увеличением количества автотранспорта в районе исследования. Рост случаев онкопатологий у населения коррелирует с увеличением концентрации подвижных форм некоторых тяжелых металлов в почвах. Это связано с большой площадью агроландшафтов (влиянием внесенных удобрений) и промышленных предприятий в зоне одного района исследования. Концентрация хрома в почвах транзитного ландшафта западного склона Сура-Свияжского междуречья к 2040 г. превысит ПДК. Увеличению концентрации хрома в почвах способствует сжигание минерального топлива, особенно каменного угля, и выбросы промышленных предприятий.