Почвы, являясь одним из ключевых компонентов урболандшафтов, наиболее подвержены накоплению тяжелых металлов. Токсичные металлы действуют на почву как прямо, так и опосредованно, путем вмешательства в биологические циклы. Заметное ухудшение свойств почв происходит лишь при высоком уровне содержания тяжелых металлов, однако и меньшие концентрации поллютантов оказывают неблагоприятное воздействие – при переходе в сопредельные среды (растения, воду, воздух) они загрязняют их до нежелательного уровня [1].

Загрязнение природных сред тяжелыми металлами в настоящее время является одним из наиболее распространенных следствий техногенного воздействия человека на естественные и искусственные экосистемы [5]. Проблема изучения экологического состояния городской среды жизни чрезвычайно актуальна, поскольку неотъемлемыми признаками современного мира являются концентрация населения в городах, увеличение площади урбанизированных территорий и усиление негативного воздействия на компоненты урбоэкосистем [2; 6; 7].

Оценка опасности загрязнения почвы населенных пунктов определяется: 1) эпидемиологической значимостью загрязненной химическими веществами почвы; 2) ролью загрязненной почвы как источника вторичного загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха и при ее непосредственном контакте с человеком; 3) значимостью степени загрязнения почвы в качестве индикатора загрязнения атмосферного воздуха [4].

Использование в экологических исследованиях при оценке степени загрязнения почв и растений только значений предельно (или ориентировочно) допустимой концентрации элемента (ПДК, ОДК) не позволяет реально оценить степень загрязнения территории. Необходимо принимать во внимание его фоновое содержание в почвах, т.е. содержание, характерное для данного типа почв в условиях отсутствия антропогенного привнесения вещества [5]. Более приемлемым является использование фоновых значений, установленных в условиях конкретного региона (региональный фон). В то же время почвы и природные условия конкретного района могут существенно отличаться от среднестатистических региональных почв, особенно в условиях средней полосы России, где имеет место большая пестрота почвенного покрова. В связи с этим в ряде случаев более предпочтительным является использование в качестве фоновых отдельных участков, расположенных на территории данного района (местный фон). При этом выбираются участки, подвергавшиеся минимальному воздействию [1].

Материалы и методы

Содержание тяжелых металлов в почве города Ахтубинска и его окрестностей было изучено для оценки опасности загрязнения урбанизированной среды. Населённый пункт состоит из четырёх основных частей: центральной части, посёлков Петропавловка, Владимировка, Ахтуба. На территории города выделены четыре зоны по виду антропогенного воздействия (далее зоны), представленные во всех его частях: рекреационная (РЗ), жилая (ЖЗ), транспортная (ТЗ) и промышленная (ПЗ). Также в окрестностях населённого пункта определена интактная зона (ИЗ) на особо охраняемых природных территориях Астраханской области, имеющих статус природных парков, «Волго-Ахтубинское междуречье» и «Баскунчак».

Обследование территории проводилось выборочно на 42 модельных площадках (МП) площадью 100 м2 в соответствии с зонированием территории по виду антропогенного воздействия [5]. Из них 38 модельных площадок находилось на урбанизированной территории, 4 модельные площадки – в интактной зоне в качестве местной фоновой территории. Определению из почвенного слоя 0 – 10 см на модельных площадках подлежало содержание валовых форм следующих элементов: Cd, Pb, Zn, Co, Ni, Cu, Cr, Mn, Fe. Определение содержания тяжелых металлов выполнялось методом атомно-абсорбционного спектрального анализа.

При количественной оценке антропогенного воздействия, помимо предельно (ориентировочно) допустимой концентрации (ПДК, ОДК), принималось во внимание и местное фоновое содержание элемента в почве, определённое на модельных площадках интактной зоны [1].

Накопление тяжёлых металлов в урбаногенной среде оценивалось по коэффициенту концентрации химического вещества (Кс) [1]. Для количественной оценки степени загрязнения почв при загрязнении почвы двумя и более элементами производился расчет суммарного показателя загрязнения (Zc) [3]. При этом уровень загрязнения считался низким, если Zc находится в пределах 0-16; средним (умеренно опасным), если Zc = 16-32; высоким (опасным), если Zc = 32-128; очень высоким (чрезвычайно опасным), если Zc >128 [5].

Кроме того, степень загрязнения почв оценивалась по интегральному оценочному баллу (Б), который учитывает степень токсичности отдельных элементов, в то время как при расчете суммарного коэффициента техногенного загрязнения она нивелируется [1]. Интегральный оценочный балл загрязнения почвы учитывает информацию о содержании в почве токсичных элементов, их фоновом значении и санитарно-гигиенических нормативах [1].

Классификация модельных площадок по совокупности признаков (Zc, Б) проводилась методом агломеративного иерархического кластерного анализа. Кластерный анализ проводился с применением одиночной связи и манхэттенского расстояния связи.

Результаты и их обсуждение

Впервые для города Ахтубинска и его окрестностей было определено и оценено содержание тяжелых металлов в почве по 9 элементам в различных зонах по виду антропогенного воздействия.

Характеристики превышений установленных нормативов содержания тяжелых металлов в почве урболандшафта города Ахтубинска и его окрестностей представлены в таблице 1. Превышений ПДК (ОДК) содержания изучаемых металлов в поверхностном слое почвы города не выявлено. Отмечен единичный случай содержания в почве Zn (элемента I класса опасности), приближающегося к 1,0 ПДК, в размере 98,0 мг/кг. В исследуемой урбаногенной среде зафиксировано превышение местных фоновых концентраций по всем исследуемым элементам. По кратности случаев превышения содержания местных фоновых показателей на модельных площадках образуется следующий ряд по убыванию Zn (76%) > Cu (58%) > Cd (55%) > Co (42%) > Fe (37%) > Pb (34%) > Mn, Cr (29%) > Ni (26%). Загрязнение относительно местного фона отсутствует на 5,3% территории, загрязнение по одному элементу с Ксфон местный 1,10–1,51 свойственно 18,4% территории урболандшафта, загрязнение по двум и более элементам с Ксфон местный 1,0–3,4 отмечено на 76,3% территории.

Таблица 1

Характеристики превышений установленных нормативов содержания тяжелых металлов в почве урболандшафта города Ахтубинска и его окрестностей

Оценочные показатели степени загрязнения почв города Ахтубинска и его окрестностей Zc фон местный, Б представлены в таблице 2. Суммарный показатель загрязнения Zc относительно ПДК (ОДК) не рассчитывался, поскольку загрязнение урболандшафта по двум и более элементам отсутствует. Минимальные значения Zc фон местный = 1,22 зафиксированы на МП № 33 (ПЗ посёлка Владимировка), максимальные значения Zc фон местный = 6,60 зафиксированы на МП № 10 (РЗ посёлка Ахтуба). Суммарный показатель загрязнения относительно местных фоновых концентраций (Zc фон местный), определяемый для 76,3% территории урболандшафта, варьирует в пределах от 1,22 до 6,60 единиц, т.е. находится в диапазоне 0-16. Это позволяет отнести урбанизированные почвы города Ахтубинска и его окрестностей по показателю уровня опасности к низкой категории загрязнения по содержанию валовой формы тяжёлых металлов.

Таблица 2

Показатели степени загрязнения почв города Ахтубинска и его окрестностей (Zc фон местный, Б)

* - площадка № 19 находится в транспортной зоне

Значения интегрального оценочного балла (Б), варьирующие в пределах от 70,83 (на МП № 11 в ЖЗ центральной части) до 100,00 баллов, достаточно высоки, что также свидетельствует о низком уровне загрязнения почв урболандшафта. Наиболее приближены к интактной зоне с Б = 100,00 баллов четыре модельные площадки: № 15, 21 (ЖЗ, ТЗ соответственно) и № 4, 5 (РЗ) посёлка Петропавловка.

При классификации МП по уровню загрязнения почв на рисунке обозначено два далеко расположенных крупных кластера. Первый малочисленный кластер состоит из одной группы МП (№ 1, 24, 10, 19, 11) с максимальными суммируемыми показателями загрязнения Zc фон местный 6,60–4,40 и Б = 70,83–76,59 балла. На данных МП отмечено превышение местных фоновых концентраций по 7–9 элементам, а также наиболее высокие концентрации Сd (элемента I класса опасности) 0,95–0,73 мг/кг.

Кластеризация модельных площадок по совокупности признаков Zc фон местный, Б

Второй многочисленный кластер, включающий все остальные МП, объединяет две далеко расположенные группы. 1-я группа второго кластера состоит из двух близко расположенных подгрупп, наиболее благополучных по содержанию тяжёлых металлов в почве МП с Б = 100,00 – 98,94 баллов. 1-я подгруппа объединяет МП № 27, 16, 13, 35, 21, 15, 32, 6, для которых не рассчитывалось Zc фон местный, кроме того, на МП № 15 и 21 отсутствуют превышения местных фоновых концентраций. 2-я подгруппа объединяет МП № 31, 38, 29, 33, 4, 5, 2) с суммируемыми показателями загрязнения Zc фон местный 2,36–1,22. Для данных МП характерно превышение местных фоновых концентраций по 2–3 элементам, при этом концентрация Cd либо не превышена, либо равна местной фоновой. К описанным выше подгруппам второго кластера на большом расстоянии примыкает МП № 3 с Б = 97,3 балла, для которой концентрация Cd в почве равна местной фоновой, Zc фон местный не рассчитывался.

2-я группа второго кластера состоит из двух далеко расположенных менее благополучных подгрупп. Для МП данной группы характерно превышение местных фоновых концентраций по 3–9 элементам с широким диапазоном Zc фон местный 5,16–1,28 и достаточно высокое содержание Сd на большинстве МП 0,78–0,47 мг/кг. Первая подгруппа объединяет далеко расположенные МП № 7, 17, 20, 18, 34, 12, 25 с Б = 88,03–84,08 балла. Вторая подгруппа объединяет МП № 8, 36, 23, 22, 26, 28, 37, 30, 14, 9 с Б = 95,76–90,29 балла, при этом на МП № 30 отмечено максимальное содержание Zn.

Т.о., первый кластер объединяет наименее благополучные модельные площадки, а второй – МП с высокой и умеренной степенью благополучия по содержанию валовой формы металлов в почве. Центральная часть города и посёлок Ахтуба характеризуются наибольшими показателями суммируемого загрязнения, а посёлок Петропавловка наиболее приближен к интактной зоне. Вопреки предположениям, почвы рекреационной и жилой зон загрязнены не менее, чем транспортная и промышленная.

Выводы

По результатам данного исследования, превышений ПДК (ОДК) содержания изучаемых металлов в поверхностном слое почвы города не выявлено. Превышение местных фоновых концентраций зафиксировано по всем исследуемым элементам в ряду по убыванию Zn > Cu > Cd > Co > Fe > Pb > Mn, Cr > Ni. Полученные данные позволяют определить, что загрязнение тяжёлыми металлами почв населённого пункта носит полиэлементный характер относительно местных фоновых концентраций. Доля территории, на которой не зафиксированы превышения в накоплении тяжёлых металлов, составляет 5% от общей площади. Данные благополучные модельные площадки расположены в рекреационной, жилой и транспортной зонах посёлка Петропавловка. Прочие 95% исследуемой территории населённого пункта характеризуются повышенным содержанием поллютантов, наибольшему накоплению которых подвержены модельные площадки центральной части города и посёлка Ахтуба.

Результаты кластерного анализа содержания тяжёлых металлов в почве модельных площадок по совокупности признаков Zc фон местный и Б свидетельствуют о неравномерном распределении исследуемых элементов в зонах по виду антропогенного воздействия на территории города. При кластеризации выявлена оценочная шкала загрязнения тяжёлыми металлами относительно местных фоновых концентраций в почве по интегральному оценочному баллу (Б): низкое – 100,00–97,30 балла; умеренное – 95,76–84,08 балла, высокое - 76,59–70,83 балла.

Данное исследование по суммарным показателям загрязнения Zc фон местный 1,22–6,60 и Б = 70,83–100,00 баллов относит урболандшафт города Ахтубинска и его окрестностей к низкой категории опасности загрязнения по содержанию валовой формы тяжёлых металлов.