Загрязнение поверхностных горизонтов почв г. Воронежа тяжелыми металлами

А.И. Федорова, Е.В. Шунелько

Почвы г. Воронежа формировались как естественные образования на протяжении тысячелетий, а были преобразованы как урбоземы за столетия. Б.П. Ахтырцев [1] относит почвенный покров этой территории к подзоне лесостепных черноземов и серых лесных почв. Вполне очевидно, что до заселения этих земель людьми и постройки крепости (400-500 лет назад и ранее) на высоком берегу р. Воронеж располагалась нагорная дубрава, которая до недавнего времени занимала территорию Акатова монастыря, прерываясь зоной наиболее плодородных земель на правом берегу (где находился острог с башнями), и снова выклинивалась в области Шилова леса. Естественно, под лесами сформировались слабокислые и кислые разности почв, которые еще встречаются в районе Ботсада ВГУ и на территории, примыкающей к санаторию им. Горького [12]. Возвышенный берег реки Воронеж был благоприятен для заселения по многим параметрам: защита от набегов кочевых племен, наличие водной транспортной магистрали, плодородные земли для выращивания сельскохозяйственной продукции (особенно для разведения садов), источники питьевой воды. Поэтому на протяжении нескольких столетий здесь происходило строительство крепости, гражданских зданий, монастырей, церквей, старые кладки которых в погребенном состоянии частично сохранились до настоящего времени. Очевидно, что естественные почвы центральной части города претерпели значительные антропогенные изменения и практически не сохранились в первозданном виде. Сейчас это своеобразная почвенная разность из смеси мелкозема различной гумусированности со щебнем и другими остатками строительного мусора, бесструктурная, иногда с захороненным почвенным слоем. В ряде литературных источников такие почвы называют “урбаноземами” и “урбоземами” [8]. Лишь в парках, садах, больших дворах и скверах сохранились менее трансформированные почвы, однако и они подверглись сильному антропогенному прессингу, особенно в ходе Второй Мировой войны (известно, что г.Воронеж был сильно разрушен и вошел в число 15 наиболее пострадавших от войны городов). Остальные районы города (Ленинский, Советский) в недалеком прошлом представляли собой, в основном, частный сектор, где было много садов и огородов. Лишь Коминтерновский район раньше других был превращен в индустриальный. Здесь находится ряд крупных заводов, выбросы которых загрязняют городскую территорию (АОЗТ “Электросигнал”, АООТ “Тяжэкс” им. Коминтерна, Станкостроительный завод и др.). Второй крупный промышленный район – Левобережный, где расположены такие гиганты, как АООТ “Воронежсинтезкаучук”, АООТ “Воронежшина”, АООТ “ВАСО” и др., также дающие большое количество выбросов.

Б.П. Ахтырцев [1] делит городские земли на две категории: а) с функционирующим почвенным покровом, обладающие биологической продуктивностью и находящиеся преимущественно в незастроенной части города; б) техногенный покров, занятый домами разной этажности и техническими объектами, не обладающий биологической продуктивностью. Последнее положение, на наш взгляд, весьма спорно, т.к. озеленительные посадки на этих землях (во дворах, на улицах) обладают определенной первичной биологической продуктивностью, которая выражается в поглощении огромного количества углекислого газа и переводе его в массу органических веществ, поддерживающих определенную стабильность посадок, а также являются продуктом для множества гетеротрофов, поселяющихся на их листьях, побегах, стволах. Обогащения почвы органическими веществами, конечно, не происходит, так как первичная продукция в виде листьев, скошенной травы не остается на этих землях, а увозится. Таким образом, все круговороты элементов, проходящие через почвы (углерода, азота, серы, фосфора и др.) здесь нарушены.

Основными современными почвенными разностями в г.Воронеже являются черноземы выщелоченные, среднемощные, суглинистые и тяжелосуглинистые, занимающие, в основном, плакорные возвышенные территории правобережья [1]. Второе место занимают серые лесостепные почвы (супесчаные, суглинистые и тяжелосуглинистые разности) на месте бывшего пояса нагорной дубравы и существующей ее окраины в районе “Березовая роща”; дерново-лесные песчаные почвы и лугово-черноземные, которые сохранились в пределах нынешней территории г. Воронежа на очень ограниченной территории и везде претерпели антропогенные изменения (залиты грунтовыми водами после заполнения водохранилища, либо погребены под насыпным почвогрунтом при создании набережных и пляжей).

В 2001 г. в г. Воронеже зарегистрировано 14497 действующих источников загрязняющих веществ (в том числе организованных – 12475), тогда как в 1997 г. их было лишь 11699 (в том числе организованных – 11106) [4, 5]. Среди выбросов основными загрязняющими веществами считаются диоксид азота, диоксид углерода, сернистый ангидрид, пыль, а среди приоритетных – формальдегид, фенол, толуол, ксилол, бенз(а)пирен, марганец и его соединения, стирол, бутадиен, оксиды хрома, оксид меди. Из всей суммы выбросов более 80% падает на автотранспорт, который по диоксидам азота дает 80%, а по углеводородам – 96% от всех загрязнений. Таким образом, из тяжелых металлов в вышеуказанный перечень вошли только соединения марганца, меди, хрома. Однако, все предприятия топливного комплекса (ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, котельные “Воронежтеплосеть”) и множество других выбрасывают в окружающую среду большое количество тяжелых металлов, которые могут находиться в атмосфере в виде окислов, отдельных мелких частиц в составе пыли, органо-минеральных соединений.

Тяжелые металлы (ТМ) являются очень удобными индикаторными веществами при изучении загрязнения почв в силу того, что они довольно распространены, сравнительно легко определяются (из одной вытяжки атомноабсорбционным методом можно определить множество металлов), большинство из них неподвижны или слабо подвижны в верхнем 0-10 см слое почвы (особенно в гумусированных и тяжелосуглинистых почвогрунтах), токсичный эффект многих металлов довольно хорошо изучен [7, 9, 11, 13].

Попадая в воздушную среду от предприятий и автотранспорта, тяжелые металлы могут поступать в почву двумя путями: 1) в результате сухого осаждения; 2) путем мокрого осаждения. Основная масса ТМ от низких источников (автотранспорта) попадает в почву первым путем, однако по литературным данным эти вещества в виде очень мелких аэрозолей и пыли могут подниматься турбулентными потоками воздуха (что характерно и для г. Воронежа в летнее время) в более высокие слои тропосферы и даже попадать в стратосферу, переноситься на большие расстояния. В среднем ТМ переносятся на 20-30 км, однако, они были обнаружены и в верхних слоях ледников Гренландии и Антарктиды [2, 6, 10].

Тяжелые металлы (в том числе, наиболее опасные – свинец и кадмий) содержатся в выхлопных газах автотранспорта. В последнее десятилетие в городах идет прогрессивное нарастание числа автомобилей, которые как движущиеся источники загрязнения охватывают пространства не только прилегающие к автодорогам (100-200 м), но и проникают в места проживания людей (дворы, автостоянки, детские площадки). Так, в г. Воронеже за счет автотранспорта выбросы выросли с 108 тыс. т. в год в 1993-1996 гг. до 135 тыс. т. в год в 1999-2000 гг. [4, 5]. Из них 85% составляют выбросы легковых автомобилей.

Согласно официальным данным, валовый выброс предприятий г. Воронежа за год в настоящее время составляет 18,129 т/год. По административным районам выбросы распределяются следующим образом: Левобережный – 11,792 т/год; Коминтерновский – 1,86; Советский – 1,587; Железнодорожный – 1,187; Ленинский – 1,011; Центральный – 0,692 [5]. Для определения загрязнения почв тяжелыми металлами территория г. Воронежа была разделена нами на функциональные зоны, которые общеприняты при изучении городов: промышленная, промышленно-селитебная, селитебная, рекреационная, транспортная, транспортно-селитебная (одна и та же функциональная зона могла быть расположена в разных административных районах). Первичные данные по содержанию подвижных форм ТМ, полученные Госсанэпиднадзором г. Воронежа (более 1000 определений), а также собственные показатели, были расклассифицированы нами по вышеуказанным функциональным зонам (таблица 1). В пределах зон выделялись подзоны (таблица 2).

Таблица 1

Среднее содержание тяжелых металлов в функциональных зонах г. Воронежа

Таблица 2

Среднее содержание подвижных форм тяжелых металлов по основным подзонам в пределах функциональных зон

Образцы для анализа отбирались в пределах районов действия отдельных поликлиник, разбитых на квадраты 500х500 м независимо от дорог и других аномальных участков. Тяжелые металлы извлекались из почвы ацетатно-аммонийным буфером с рН=4,8 и определялись на атомно-адсорбционном спектрофотометре. ПДК взяты в агрохимслужбе “Воронежская”, они же приводятся в соответствующих справочниках [3].

Были изучены также валовые (или слабоподвижные) формы ТМ в парках, на детских площадках и, особенно, в линейных зонах транспортных аномалий (в 20-50 м от дороги), а также в местах скопления автотранспорта и людей (рынки). Валовые (или слабоподвижные) формы определялись путем извлечения ТМ НNO3 с предварительным прокаливанием образцов в муфельной печи при t=450° с последующим определением на спектрофотометре С115М1.

Как видно из таблицы 1, в верхнем 10 см слое почв содержание изученных подвижных форм ТМ (Сг, Сu, Zn, Ni) не превышает ПДК. Однако, во всех случаях содержание подвижных форм свинца в 1,4-4,6 раза больше. Особенно высокие превышения по Рb наблюдаются в транспортной, транспортно-селитебной и промышленной зонах, а наименьшие – в рекреационной зоне. Вызывает некоторое недоумение высокое содержание Рb в селитебной зоне по сравнению с промышленной, однако это легко объясняется насыщенностью этой территории легковыми автомобилями, которые в настоящее время составляют 85% от всего автотранспорта.

Распределение ТМ по подзонам (таблица 2) показало, что наибольшее количество свинца, превышающее ПДК в 5,7 раза, содержится в почвах промзоны Коминтерновского района, затем – в склоновой части селитебной зоны, примыкающей к водохранилищу (превышение в 5,7 раза). В последнем случае происходит снос соединений Рb (очевидно, в виде мелких частиц) с поверхностным стоком вниз по склону. В промышленной зоне самым “чистым” является юго-западный район, где почти нет предприятий, выделяющих большое количество металлов, а территория менее насыщена автотранспортом. Здесь преобладает влияние заводов Керамического и Железобетонных конструкций. В селитебной зоне районом с наименьшим содержанием Рb является северный, в котором свинец в почве лишь немного превышает ПДК.

Сравнение содержания Рb в почвах правобережной и левобережной частей г. Воронежа показало его значительное превышение ПДК в правобережной части (для промышленноселитебной зоны – в 2,1 раза, а для транспортно-селитебной – в 1,6 раза), что объясняется наличием большего числа автотранспорта и среднесуглинистыми разностями почв, способными удержать большее количество катионов свинца по сравнению с песками Левобережья. В рекреационной зоне, наоборот, содержание Рb больше в Левобережье и мало отличается от общего фона этой зоны, что объясняется малой развитостью здесь рекреационных ландшафтов, тогда как в Правобережье существует несколько крупных парков и скверов (“Орленок”, Первомайский сквер, парк “Динамо” и др.), а также присутствует обширная рекреационная зона в районе санатория им. Горького. Въезд автотранспорта на вышеуказанные территории ограничен или запрещен.

Как видно из таблицы 2, во всех подзонах не наблюдается превышения ПДК по Cr, Сu, Ni, хотя его содержание варьирует в разных местах в 1,5-2 раза. Лишь по Zn наблюдается аномальное превышение в Коминтерновском районе (в 2 раза выше ПДК).

Нанесение точек определения ТМ на отдельные картосхемы для выявления локальных аномальных участков показало, что подвижные формы Рb содержатся в поверхностных горизонтах почв практически во всех районах города, однако, превышение ПДК в 2-3 раза наблюдается, в основном, в почвах вблизи главных магистралей города – пр. Революции, ул. Плехановской, Ленинского пр. и др. Содержание подвижного Сr в верхнем слое почв города редко превышает ПДК; в этом плане также “лидируют” правобережье и сильно загруженные автотранспортом магистрали. По подвижной Сu наблюдается сильный разброс по городу, в отдельных точках ее содержание превышает ПДК в 3-4 раза, но четких аномальных зон не выявлено. Лишь по ул. Ворошилова вблизи Механического завода можно выделить небольшую зону с превышением ПДК в 2-4 раза.

По содержанию подвижного Zn аномальные зоны выделяются довольно четко. Это район Механического завода по ул. Ворошилова (превышение ПДК в 2-4 раза), менее сильная аномальная зона выделена в районе завода “Тяжмаш” (ул.Электросигнальная), на пр. Патриотов; и небольшие превышения ПДК отмечаются вдоль дорог (1,1-1,5 ПДК). По Ni превышения наблюдаются лишь вдоль загруженных автотранспортом магистралей (пр. Революции, ул. Плехановская).

При более подробном изучении аномальных зон путем определения в поверхностном слое почв валовых (слабоподвижных) форм ТМ (извлечение ТМ НNО3 с предварительным прокаливанием образца в муфельной печи) основное внимание было уделено придорожным зонам, где в результате сильных потоков воздуха от движущегося автотранспорта тяжелые металлы в виде частиц и аэрозолей могут попадать в органы дыхания человека, особенно детей.

На рисунке представлены данные о количестве проб городских почв, содержание тяжелых металлов, в которых превышает фоновые показатели и ПДК (общее количество взятых образцов – 36). За фон бралась территория санатория “Углянец” на окраине Воронежского биосферного заповедника в 25 км от города.

Согласно полученным данным, в верхних горизонтах почв г. Воронежа свинец содержится в количестве от 4,2 до 206,0 мг/кг (таблица 3). Почти в 95% случаев содержание данного металла находилось в пределах ориентировочно допустимой концентрации (ОДК) – до 130 мг/кг [8]. Практически во всех исследуемых точках на территории города содержание Рb превышало фоновый уровень в 1,3-26 раз и ПДК в 1,3-6,4 раза. На территории санатория “Углянец” на окраине Воронежского биосферного заповедника концентрация Рb в почве составляла 8 мг/кг. Вблизи трамвайных и железнодорожных путей содержание Рb колебалось от 42,5 до 84,0 мг/кг, что также выше фона и ПДК в 1,3-11,9 и 1,3-3 раза соответственно (таблица 4). Максимальное количество Рb содержат почвы газонов вдоль сильно загруженных автотранспортом улиц Кольцовской, Кирова, пересечения улиц Мира и Фр. Энгельса, 20-летия Октября (на подъеме), где оно составляет 130,0-206,0 мг/кг.

По нашим данным, фоновое содержание Cd в почвах Подворонежья составило 0,83 мг/кг в санатории Углянец; 1,16 мг/кг в санатории им. Горького; 1,24 мг/кг в Семилукском районе (луг у деревни Ляпино). B поверхностных горизонтах почв города Воронежа Cd содержится в количестве 0,26-2,7 мг/кг (таблица 3).

Отмечаются участки с превышением фоновых значений в 1,3-3,3 раза (ул. Электросигнальная, Кольцовская, Плехановская, Московский пр. и др.). Превышения ПДК по этому металлу в пределах нашего города не выявлено. Корреляционной связи между концентрацией Cd в почве и интенсивностью движения автотранспорта не обнаружено. Высокое содержание данного металла отмечено на улицах с интенсивной транспортной нагрузкой и наличием трамвайных и троллейбусных путей (ул. Кольцовская, Плехановская), вблизи трамвайных и железнодорожных путей (ул. Матросова, Челюскинцев, вокзал Воронеж-II) (таблица 4). Максимальная концентрация Cd (2,7 мг/кг), превышающая ОДК (2,0 мг/кг), отмечается на ул. Электросигнальной с интенсивностью движения всего 300 авт/час, которая, однако, находится в зоне влияния нескольких промышленных предприятий (заводы Радиодеталей, АОЗТ “Электросигнал”, АООТ “Тяжэкс” им. Коминтерна, “Промтекстиль”). Пределы нахождения Zn в верхних горизонтах урбаноземов придорожных территорий г. Воронежа составляют 20-338 мг/кг (таблица 3), тогда как в почвах санатория “Углянец” его содержится 24 мг/кг. При этом примерно в 90% случаев содержание Zn в городе превышает фоновое и в 30% – ПДК (рис.) Отмечено довольно сильное (до 14 раз превышающее фон) загрязнение цинком территорий, прилегающих к трамвайным и железнодорожным путям (таблица 4). К наиболее загрязненным районам относятся улицы Матросова (298 мг/кг), Челюскинцев (338 мг/кг), район вокзала Воронеж-П (198-338 мг/кг). Высоко содержание металла и на улицах с интенсивной транспортной нагрузкой, имеющих троллейбусно-трамвайные линии – ул. Плехановской (190 мг/кг), ул. Кирова (176 мг/кг). Концентрации Zn в этих районах в 1,3-2,3 раза превышают ПДК.

Рис. Доля почвенных проб, превышающих фон и ПДК, %

В верхних горизонтах урбаноземов придорожных пространств г. Воронежа содержание Сu колеблется в широких пределах – от 6,0 до 284,0 мг/кг (таблица 3), превышая фоновое содержание во всех изученных точках (5,0 мг/кг по Углянцу). Причем, 50% случаев пробы почв по этому показателю не отвечают санитарным нормам (рис.). Наиболее сильное загрязнение почв медью прослеживается вблизи трамвайных и троллейбусных путей (таблица