Исследование техногенеза пойменного агроландшафта

Рассмотрены последствия техногенеза пойменного ландшафта р. Оки на примере пригородного участка локально высокого загрязнения почв тяжелыми металлами. В рамках российско-германского научно-технического сотрудничества заложена опытная плантация ивы для изучения эффективности фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами.

ландшафт почва металл детоксикация.

Aftereffects of a technogenesis of an inundated landscape of the river of Oka on an instance of a suburban plot locally high contamination of soils by heavy metals are observed. Within the limits of the Russian-German scientific and technical cooperation the experimental plantation of a willow for study of efficiency of a phytoremediation of the soils polluted by heavy metals is included.

Одной из актуальных проблем антропогенных агроландшафтов является оценка уровня их загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) и выбор методов санации. Целью исследований, результаты которых обсуждаются в данной работе, было исследование результатов техногенеза пойменного агроландшафта для обоснования направлений использования деградированных земель и необходимости их детоксикации.

Объект исследований представляет собой типичный пойменный ландшафт в среднем течении р. Оки с естественной луговой и древесной растительностью, осушаемый открытым сбросным каналом сточных городских вод, находящемся в зоне влияния г. Рязани, дамбы автодороги Рязань — Н. Новгород и дамбы южной окружной дороги.

Почвы Окской поймы характеризуются высокими агротехническими свойствами. Реакция почвенного раствора изменяется от кислой до нейтральной, содержание глинистых частиц от 40 до 75%, гумуса от 3…4 до 6%. При антропогенном воздействии, благодаря таким свойствам, почвы выполняют роль геохимического барьера для загрязняющих веществ.

Как показали выполненные нами ранее исследования пойменных агроландшафтов р. Оки [1, 2], основным источником поступления ТМ в почву являются седименты, максимальная нагрузка которых достигала 1,3 кг/м². Из тяжелых металлов наибольших концентраций (2,2…4,0%) достигает железо, выявлено загрязнение почв цинком (до 1,13 ПДК), отмечаются потенциально опасные уровни концентраций никеля (до 0,4 ПДК) и меди (до 0,3 ПДК). Содержание кадмия, свинца и мышьяка не превышает фоновых концентраций (рис.1). Уровень загрязнения пойменных почв Эльбы почти на порядок выше [3].

Современный этап исследований связан с изучением эффективности фиторемедиации почв в условиях более высокого уровня загрязнения почв тяжелыми металлами (от 2 до 10 ПДК), чем и был обусловлен выбор упомянутого объекта исследования.

Рисунок 1 — Концентрация тяжелых металлов (доли ПДК) в почвах Окской поймы.

Общее содержание Pb, Zn, Ni, Fe, Mn в почвенных пробах определяли методом прямого рентгено-флуоресцентного анализа. Кислото-растворимые формы ТМ экстрагировали 5 мл HNO₃ при соотношении почвы и кислоты 1:5 при трехчасовом нагревании на водяной бане. Экстракт после добавления внутреннего стандарта Со выпаривали досуха, содержание ТМ в порошке проводили рентгено-флуоресцентным методом пределение Cd и Pb проводили атомно-абсорбционным методом.

Содержание в дикорастущих растениях Pb, Zn, Ni, Fe, Mn определялось после озоления пробы массой в 1 г и добавления к ней внутреннего стандарта (Co 400 мкг) методом прямого рентгено-флуоресцентного анализа на приборе «Спектроскан-Макс». Определение Cd и Pb проводили атомно-абсорбционным методом (МГА-915). Для этого золу растений предварительно растворяли в 2 мл HNO₃ (1:1) при нагревании, дистиллированной водой доводили объем до 10 мл.

Выполненные анализы проб почв объекта исследований показали (табл.1), что концентрация таких тяжелых металлов как цинк, никель, медь и свинец во всех горизонтах превышает ПДК. Причем наибольшая концентрация тяжелых металлов не в дерновом горизонте, а на глубине 50−80 см от поверхности почвы, где кратность превышения ПДК составляет: цинк — 52, 3; никель — 6,9; медь — 39,2; свинец -10,9 раза. Эти данные говорят об уникальности объекта исследования по уровню загрязнения ТМ в результате техногенеза. Отметим, что установленный уровень загрязнения сформировался в условиях постоянного воздействия на почву осадков сточных промышленных вод и других антропогенных факторов, и этот уровень в десятки раз выше уровня загрязнения аллювиальных почв, используемых в сельском хозяйстве.

Таблица 1 — Содержание ТМ (мг/кг) в профиле пойменной почвы р. Оки у г. Рязани

Исследование дикорастущих растений на содержание в них ТМ показывает (табл.2), что лучшими фиторемедиантами по свинцу являются ива, пижма и полынь; по кадмию, цинку и никелю — отмечается бесспорное доминирование ивы. Совместно с немецкими учеными заложена опытная плантация ивы для изучения эффективности фиторемедиации.

Опыт Германии показывает, что утилизация растений с высокой концентрацией ТМ методом термохимического разложения позволяет получать практически значимые количества газа и электроэнергии, не нарушая экологической безопасности.

Выполненные измерения физических показателей качества воды показали, что грунтовые воды имеют нейтральную реакцию водного раствора (рН=6,9), слабый восстановительный режим (ОВП = -4,7 мВ) и низкую электропроводимость 2 мкС/см². Экспресс-тестирование воды сточной канавы показало ее слабощелочную реакцию (рН=7,5), восстановительный режим (ОВП = -40 мВ) и низкую электропроводимость 1 мкС/см².

Таблица 2 — Содержание тяжелых металлов в дикорастущих растениях

Выводы

Приведенные результаты позволяют сделать следующие выводы:

• · Почвенный профиль антропогенно загрязненной аллювиальной почвы характеризуется неравномерной концентрацией ТМ по горизонтам с наибольшим уровнем содержания ТМ в слое 50−80 см от поверхности почвы;
• · Уровень антропогенного загрязнения почв на локальном участке пригородной поймы соответствует классу экологического бедствия. Приоритетный ряд загрязнителей (по относительной концентрации, нормированной по ПДК) — Zn (52,3)> Cu (39,2)> Pb (10,9)>Ni (6,9)>Mn (0,6)
• · Наибольшей извлекающей способностью в отношении тяжелых металлов отличается ива, которая может быть рекомендована в качестве основного фиторемедианта.
• · В рамках российско-германского научно-технического сотрудничества заложена опытная плантация ивы для изучения эффективности фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами.

• 1. Райнин В. Е. и др. Влияние паводков на загрязнение пойм рек Оки и Эльбы. Мелиорация и водное хозяйство, 1999, № 5, с.42−45.
• 2. Райнин В. Е., Виноградова Г. Н. (ред.). Техногенное загрязнение речных экосистем. — М.: Научный мир, 2002. -139 с.
• 3. Rupp H., Kruger F., Buttner O. u.a. Wirkung von Hochwasserereignissen auf die Schadstoffbelastung von Auen und kulturwirtschaftlich genutzten Bцden im Uberschwemmungsbereich von Oka und Elbe/Endbericht 1996 bis 1999;Falkenberg, 2000 -166 s.