ТЕХНОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОТОКОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ МЕДНО-НИКЕЛЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА | Опубликовать статью РИНЦ

ТЕХНОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОТОКОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ МЕДНО-НИКЕЛЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА

Научная статья

Елсукова Е.Ю.^1, *, Опекунова М.Г.², Опекунов А.Ю.³

¹ ORCID: 0000-0001-7678-4719;

² ORCID: 0000-0002-4592-0623;

³ ORCID: 0000-0002-8885-9068;

^{1, 2, 3} Санкт-Петербургский Государственный Университет, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (elsukovaeu[at]mail.ru)

Аннотация

В статье представлены некоторые результаты работ по оценке техногенной трансформации потоков тяжелых металлов в почвах на Кольском полуострове в 2018 году. На большинстве исследованных площадок значения концентраций тяжелых металлов в почвах значительно превышают нормативы. Среднее валовое содержание Ni превышает норматив в 80 раз, содержание подвижных форм Ni – в 40 раз; среднее валовое содержание Cu – в 22 раза, содержание подвижных форм Cu – в 85 раз. Максимальные концентрации Ni, Сu, Co наблюдаются на расстоянии 8 км от источника загрязнения в южном направлении. Mn, Fe и V по территории исследования распределены относительно равномерно. Концентрации Ni, Cu, Co, Cd и Pb в верхнем горизонте почвы выше, чем в иллювиальном. Это говорит о том, что данные металлы поступают преимущественно из атмосферы. По показателю суммарного загрязнения (Zc) почвы верхнего горизонта всех площадок относятся к опасной категории, а на расстоянии 8 км от комбината – к чрезвычайно опасной. Согласно корреляции между содержанием химических элементов в почве выявлены две ассоциации: первая – Ni, Cu, Cd, Pb, Co, Zn и Mn; вторая – Cr, V, Fe и Sc. В целом, несмотря на снижение содержания тяжелых металлов в почве, их количество остается высоким и наблюдается нарушенность естественного геохимического цикла.

Ключевые слова: почвы, загрязнение, тяжелые металлы, миграция, биогеохимия.

TECHNOGENIC TRANSFORMATION OF HEAVY METAL STREAMS IN SOILS IN REGIONS UNDER INFLUENCE OF COPPER-NICKEL PRODUCTION

Research article

Elsukova E.Yu.^1, *, Opekunova M.G.², Opekunov A.Yu.³

¹ ORCID: 0000-0001-7678-4719;

² ORCID: 0000-0002-4592-0623;

³ ORCID: 0000-0002-8885-9068;

^{1, 2, 3} Saint Petersburg State University, Saint Petersburg, Russia

* Corresponding author (elsukovaeu[at]mail.ru)

Abstract

The paper presents the results of work on the assessment of the technogenic transformation of heavy metal flows in soils on the Kola Peninsula in 2018. The concentrations of heavy metals in soils are significantly higher than the standards at most sites studied. The average gross Ni content exceeds the standard by 80 times, the content of mobile forms of Ni by 40 times; the average gross Cu content – by 22 times, the content of mobile Cu forms – by 85 times. The maximum concentrations of Ni, Cu, Co are observed at a distance of 8 km from the pollution source in a southerly direction. Mn, Fe, and V are relatively evenly distributed throughout the study area. The concentrations of Ni, Cu, Co, Cd, and Pb in the upper soil horizon are higher than in the illuvial one. This suggests that these metals come mainly from the atmosphere. According to the total pollution index (Zc), the soils of the upper horizon of all sites are classified as dangerous, and at a distance of 8 km from the plant they are extremely dangerous. According to the correlation between the content of chemical elements in the soil, two associations are identified: the first – Ni, Cu, Cd, Pb, Co, Zn and Mn; the second one is Cr, V, Fe, and Sc. In general, despite a decrease in the content of heavy metals in the soil, their amount remains high and a disturbance in the natural geochemical cycle is observed.

Keywords: soil, pollution, heavy metals, migration, biogeochemistry.

Введение

Антропогенная нагрузка на прилегающие к комбинату Североникель, расположенному на Кольском полуострове, экосистемы сопряжена с поступлением в атмосферу выбросов, содержащих тяжелые металлы (ТМ) и соединения серы. Экологические проблемы в регионе обострились с начала 1970-х г. с переходом с местных медно-никелевых руд с низким содержанием серы на высокосернистую норильскую руду. Позже благодаря реконструкции производства выбросы были значительно сокращены. В настоящее время комбинат Североникель — промышленная площадка АО «Кольская ГМК», где перерабатывается файнштейн, поступающий с комбината Печенганикель и завершается технологический цикл производства товарной продукции компании.

Общий вклад стационарных источников в суммарные выбросы основных загрязняющих веществ в атмосферный воздух Мурманской области в 2017 г. составил 80,5 %, в том числе твердых веществ – 99,6 %, диоксида серы – 99,8 %. В 2017 г. выбросы основных загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников (242,9 тыс. т) увеличились на 11,1 тыс. т по сравнению с 2016, но сократились по сравнению с 2013, 2014 и 2015 годами. В 2017 г. по сравнению с 2016 годом объем выбросов твёрдых веществ увеличился на 1,182 тыс. т [1].

Наибольшее количество выбросов основных загрязняющих веществ от стационарных источников в атмосферный воздух по-прежнему отмечается на территории Печенгского района – 80,375 тыс. т (в 2016 году – 90,006 тыс. т), где расположены крупнейшие предприятия цветной металлургии. Валовые выбросы от предприятия АО «Кольская ГМК» площадки Мончегорск в 2017 году составили 44,2 тыс. тонн (42,8 тыс. тонн в 2016 г). К основным загрязняющим веществам относятся диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота, металлы, в том числе никель, медь, ванадий, свинец, хром и другие. В целом, в 2017 г. наблюдается тенденция к снижению объемов выбросов ТМ и их соединений в атмосферный воздух в Мурманской области по сравнению с 2016 годом. Но наблюдается некоторое увеличение выбросов Ni по сравнению с 2014 годом [1].

Сотрудниками кафедры геоэкологии и природопользования СПбГУ работы по оценке экологической ситуации в регионе проводятся с 2001 года. При сравнении концентраций основных загрязняющих веществ в почвах, полученных в 2001 и 2008 гг. с концентрациями, полученными в 2014 г., выявляется явное улучшение ситуации не только на прилегающих к комбинату территориях, но и на всех участках опробования. Одной из задач работ, проведенных в 2018 году, является оценка динамики техногенной трансформации потоков ТМ в почвах.

Материалы и методы

Во время полевых работ в июле 2018 г. было заложено 7 геоэкологических профилей, состоящих из 21 пробной площади. Изученная территория расположена в южном направлении от основного источника загрязнения комбината Североникель в соответствии с розой ветров (таблица 1).

 

Таблица 1 – Расположение геоэкологических профилей по отношению к комбинату Североникель

Пробные площади заложены на разных элементах рельефа местности (вершина, склон, нижняя часть склона). На каждой пробной площади проведено описание природно-территориальных комплексов, в том числе даны характеристики мезорельефа, растительности, почв, отобраны пробы почв методом конверта из органогенного и иллювиального горизонтов.

Профиль 1 был заложен на горе Поазуайвенч, которая находится в пределах города Мончегорск. Первая пробная площадь была расположена на вершине горы, вторая на склоне, третья – у подножья. На вершине горы растительность представлена ерниково-вороничным лишайниковым сообществом. Древесный ярус отсутствует. На склоне елово-березово-сосновый лес багульниково-водяничный. У подножья горы – сосняк багульниково-водяничный. Деревья находятся в угнетенном состоянии, наблюдаются суховершинность, флагообразные кроны. Хвоя сосны поражена хлорозом (4-5 баллов). В травяно-кустарничковом покрове присутствуют Vaccinium myrtillus L, Empetrum nigrum L, также на вершине и склоне в напочвенном покрове встречаются кустистые лишайники. На профиле имеются не только признаки эмиссионных антропогенных воздействий, но и рекреационных.

Профиль 2 расположен на расстоянии 3 км от комбината. На этой территории в результате длительного антропогенного воздействия, а именно выпадения кислотных дождей и пожаров, травяно-кустарничковый и мохово-лишайниковый ярусы полностью уничтожены, отсутствует органогенный горизонт почв. Вместо него мы выделили антропогенно-преобразованный горизонт X. Подрост представлен Populus tremula L, Betula pubescens Ehrh.

Профиль 3 находится в стороне от основного градиента исследования в районе Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н.А. Аврорина (ПАБСИ) на горе Кукисвумчорр, г. Кировск. Там заложено три пробные площади – в верхней части профиля, в средней и в нижней. На данной территории наблюдается рекреационное антропогенное воздействие в результате строительства и эксплуатации горнолыжного центра. Эмиссионное воздействие связано с деятельностью предприятия по добыче и обогащению апатит-нефелиновых руд. В верхней части склона древесная растительность отсутствует. Растительность средней и нижней частей склона представлена березово-еловым чернично-разнотравным зеленомошным сообществом. В нижней части склона в мохово-лишайниковом ярусе преобладают сфагновые мхи. На всех площадках присутствует Chamaenerion angustifolium (L.) Scop. Много фаутных деревьев и пней.

Профиль 4 заложен в 8 км в южном направлении от комбината. На профиле описано четыре пробных площади. Древесный ярус, представленный березами, ивами и соснами находится, в угнетенном состоянии. Максимальная высота деревьев – 3 м.  В подросте преобладает Salix sp., также есть подрост Populus tremula L., Betula pubescens Ehrh., Pinus Sylvestris L. Травяно-кустарничковый и мохово-лишайниковый ярусы на всех пробных площадях, за исключением нижней части профиля – приручейного сообщества, практически отсутствуют. Органогенный горизонт почв частично смыт.

Профиль 5 заложен на водосборе реки Вите в 14 км в южном направлении от комбината. На этом профиле древесный ярус более густой, чем на предыдущем. В древесном ярусе присутствуют Pinus Sylvestris L, Picea sibirica L., Betula pubescens высотой до 8 м, в травяно-кустарничковом – Ledum palustre L., Vaccinium myrtillus L., Empetrum nigrum L, также появились зеленый мох и кустистые лишайники.

Профиль 7 заложен на территории водосбора реки Курка в 25 км в южном направлении от комбината. Растительность этого профиля отличается большим разнообразием, чем на профилях, которые располагаются ближе к комбинату. В древесном ярусе преобладает Betula pubescens L., на втором месте находится Picea abies L., присутствуют Pinus Sylvestris L, Populus tremula L., Salix sp. На этом расстоянии от комбината появляются Empetrum nigrum L., Melampyrum pratense L., Solidago virgaurea L, Geránium praténse L, Trientalis europaea L, Lycopodium clavatum L, Linnaea borealis L. В напочвенном покрове – зеленые и политриховые мхи, кустистые лишайники.

Профиль 6 заложен на территории Лапландского заповедника. В древесном ярусе преобладает Pinus Sylvestris L., присутствует Betula pubescens L. до 12 м, в травяно-кустарничковом Vaccinium vitis–idaea L., Vaccinium myrtillus L., в мохово-лишайниковом – зеленые мхи, кустистые и бокальчатые лишайники. Почвы на исследованной территории представлены подзолами иллювиально-железистыми и иллювиально-гумусовыми на моренных отложениях.

Определение подвижных форм ТМ проведено в Ресурсном центре СПбГУ методом атомно-эмиссионной спектроскопии с применением ацетатно-аммонийного буфера (pH 4,8). Валовое содержание ТМ в почве проводилось в лаборатории Всероссийского научно-исследовательского геологического института им. А.П. Карпинского (ВСЕГЕИ) методом ICP-MS (масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой). По полученным данным о содержании ТМ в почвах были рассчитаны коэффициенты суммарного загрязнения почв (Zc) [5].

Степень изученности вопроса

Последствия антропогенного воздействия на экосистемы Кольского полуострова с середины двадцатого века являются предметом пристального внимания ученых. Миграцию химических элементов в почвах Кольского полуострова изучали многие исследователи.

Сухарева Т.А. [7, C. 19] на основе данных мониторинга 1997 и 2007 гг. подчеркивает, что в почве сохраняются высокие концентрации загрязняющих веществ. В работе Кашулиной Г.М. [8, C. 504] установлено, что концентрация Cu и Co в верхнем слое почв локальной зоны воздействия в северном и восточном направлениях от комбината Североникель в 2001-2011 гг. в сотни, а Ni в тысячи раз превышала фоновые значения. В работе Ершова В.В. и др. [9, C. 131] показано, что выпадения приоритетных поллютантов из атмосферы и вынос их соединений с почвенными водами из всех генетических горизонтов в десятки (сульфаты) и в сотни (ТМ) раз выше, чем на фоновой территории. Многолетняя динамика (с 1993 г. по 2012 г.) показывает достоверные тренды снижения концентраций и выноса основных поллютантов.

Результаты и обсуждение

Для изученных ландшафтов сложно выбрать фоновые территории, так как весь Кольский полуостров подвержен сильному антропогенному воздействию. Даже на территории рядом с усадьбой Лапландского заповедника, которая находится на значительном расстоянии от комбината, наблюдаются очень высокие концентрации Ni и Cu. Территория ПАБСИ находится в стороне от изученного градиента и характеризуется другим минеральным составом горных пород. Исходя из вышеизложенного, в качестве норматива были взяты ОДК (ориентировочные допустимые концентрации), а также ПДК (предельно допустимые концентрации) валового содержания и подвижных форм химических веществ в почве.

По результатам анализа почвенных проб можно сказать, что для валового содержания Ni на всех площадках выявлены превышения норматива (табл. 2). Хорошо прослеживается закономерность распределения ТМ по градиенту в верхнем почвенном горизонте – от первого профиля содержание увеличивается и своего максимума достигает на расстоянии 8 км от комбината, где в верхнем горизонте валовое содержание Ni составляет в среднем – 3265 мг/кг, в горизонте В – 300 мг/кг. Минимальная концентрация подвижного Ni в горизонте О обнаружена на втором профиле и равна 7 мг/кг. Максимальная концентрация обнаружена на расстоянии 8 км, она равна 414 мг/кг. Среднее содержание подвижного Ni в горизонте О на всех площадках превышает ПДК (табл. 3). Концентрации Ni в горизонте В ниже, чем в горизонте О.

Таблица 2 – Среднее валовое содержание тяжелых металлов в верхних горизонтах почв Кольского полуострова O/B, мг/кг

Примечание: в числителе указано валовое содержание металла в горизонте О, в знаменателе – в горизонте В; n – количество проб

 

Валовое содержание Cu в верхнем горизонте в несколько раз превышает содержание в иллювиальном горизонте на всех площадках (табл. 2). Значение концентрации Cu в почве в районе ПАБСИ является минимальным. На расстоянии 8 км от источника загрязнения средняя концентрация Cu в верхнем почвенном горизонте составляет 1474 мг/кг, максимальная – 3090 мг/кг. Максимальные концентрации Cu в горизонте В обнаружены на четвертом профиле (средняя – 218 мг/кг, наибольшая – 606 мг/кг). Превышения ПДК для подвижных форм Cu (3 мг/кг) выявлено на всех исследованных площадках в верхнем и иллювиальном горизонтах (табл. 3). На территории в районе ПАБСИ концентрации Сu минимальны, они незначительно превышают ПДК. Наибольшее количество подвижной Cu в верхнем горизонте наблюдается на расстоянии 8 км от комбината (средняя концентрация – 254 мг/кг, максимальная – 532 мг/кг). Здесь же и самая большая амплитуда между значениями подвижной формы Cu в верхнем и иллювиальном. По градиенту на юг от комбината прослеживается следующая закономерность накопления – концентрации растут от первого профиля и достигают максимума на четвертом профиле, далее они уменьшаются.

 

Таблица 3 – Среднее содержание подвижных форм тяжелых металлов в верхних горизонтах почв Кольского полуострова O/B, мг/кг

Примечание: в числителе указано содержание подвижных форм металла в горизонте О, в знаменателе – в горизонте В; n – количество проб

 

Для валового содержания Co (табл. 2) максимум наблюдается в горизонте О на расстоянии 8 км (среднее – 306, максимальное 766 мг/кг). Содержания подвижного Co (табл. 3) на всех пробных площадках не превышают норматив, за исключением площадок на четвертом (9 мг/кг) и пятом (6 мг/кг) профилях. На большинстве площадок концентрации Co в верхнем почвенном горизонте в несколько раз выше, чем в иллювиальном. В районе ПАБСИ концентрации Co минимальны.

Все полученные значения валового Cd на всех пробных площадках ниже ОДК (1 мг/кг), за исключение четвертого и пятого профилей. Прослеживается тенденция накопления Cd в верхнем почвенном горизонте. Для Cd концентрация подвижных форм в верхнем горизонте достигает максимума на пятом профиле.

Валовое содержание Zn в горизонте В превышает таковое в горизонте О на всех исследованных площадках. Максимум наблюдается на седьмом профиле. На большинстве площадок концентрации в верхнем почвенном горизонте подвижного Zn выше, чем в иллювиальном. Также значения подвижных концентраций не превышают норматив (23 мг/кг) за исключением площадки на водосборе реки Курка.

На всех исследованных площадках валовое содержание Fe в горизонте В больше, чем в горизонте О. Количество Fe увеличивается с удалением от комбината. Pb распределен по территории равномерно, его содержание не зависит от расстояния до комбината. Валовое содержание не превышает норматив.

Важным индикатором антропогенного загрязнения является доля подвижных форм ТМ от их валового содержания (табл.3). На исследованной территории V, Cr и Fe характеризуются низкой подвижностью (доля подвижных форм меньше единицы), средней подвижностью (до 10%) отличаются Co и Ni, повышенной (до 20%) – Cu и Pb, высокой (более 20%) – Zn, Mn и Cd. Увеличение подвижности в зоне воздействия комбината на четвертом и пятом профилях наблюдается для Ni, Cu, Co. Подвижность Mn и Zn максимальна в районе ПАБСИ.

По полученным концентрациям ТМ в почве были рассчитаны коэффициенты суммарного загрязнения.  Почвы верхнего горизонта на всех площадках по градиенту на юг от комбината относятся к опасной категории загрязнения, на четвертом профиле – к чрезвычайно опасной категории. На территории Лапландского заповедника Zc почв верхнего горизонта указывает на умеренное загрязнение. Почвы иллювиального горизонта всех площадок относятся к допустимой категории загрязнения, второго профиля – к умеренно-опасной, так как верхний горизонт на этом профиле либо отсутствует либо идентифицируется как антропогенно-преобразованный гoризонт X. В г. Кировск почвы верхнего и иллювиального горизонтов относятся к допустимой категории загрязнения.

 

Рис. 1 – Корреляция между содержанием ТМ в почвах

 

Была рассчитана корреляция между содержанием химических элементов в почве. Четко выявлены две ассоциации химических элементов. Значимые положительные связи обнаружены между Cr, V, Fe и Sc, а также Ni, Cu, Cd, Pb, Co, Zn и Mn (рис.1).

Заключение

Почвы, в районе воздействия комбината Североникель подвержены антропогенному воздействию. На большинстве исследованных площадок значения концентрации ТМ значительно превышают нормативы. Среднее валовое содержание Ni превышает норматив в 80 раз, содержание подвижных форм Ni – в 40 раз; среднее валовое содержание Cu – в 22 раза, содержание подвижных форм Cu – в 85 раз.

Содержание ТМ в почвенных горизонтах на исследованных площадках значительно различается между собой. На площадках, расположенных на четвертом профиле, наблюдаются максимальные концентрации, как для подвижных форм, так и для валового содержания основных элементов – Ni, Сu, Co. Такие элементы как Mn, Fe, V на территории исследования распределены относительно равномерно.

Концентрации таких металлов как Ni, Cu, Co, Cd и Pb в O-горизонте выше, чем в B-горизонте. Это говорит о том, что данные металлы поступают преимущественно из атмосферы. Такие элементы как Sc, V и Fe в верхнем почвенном горизонте имеют минимальные концентрации.

По полученным концентрациям ТМ в почве были рассчитаны показатели суммарного загрязнения.  Почвы верхнего горизонта на всех площадках относятся к опасной категории загрязнения, а на четвертом профиле – к чрезвычайно опасной категории. Почвы иллювиального горизонта – преимущественно к допустимой. В районе г. Кировск почвы верхнего и иллювиального горизонтов относятся к допустимой категории загрязнения. В целом коэффициент суммарного загрязнения почв достоверно позволяет оценить комплексное загрязнение почв и соответствует картине распределения ТМ по территории.

По результатам расчета коэффициента корреляции между содержанием химических элементов выявлены две ассоциации химических элементов: первая – Ni, Cu, Cd, Pb, Co, Zn и Mn; вторая – Cr, V, Fe и Sc. Значимые положительные связи между элементами объединяют их по источнику поступления. Источник элементов первой ассоциации – преимущественно выбросы комбината, второй – горные породы.

Таким образом, с течением времени концентрации ТМ в почве в целом снижаются, что связано непосредственно с сокращением выбросов предприятием и проведением мероприятий в области охраны окружающей среды. Тем не менее, сохраняется высокое содержание поллютантов в почве и нарушение естественного геохимического цикла.

Финансирование Cтатья подготовлена в рамках гранта РФФИ 18-05-00217 А «Биогеохимические индикаторы техногенной трансформации потоков тяжелых металлов в ландшафтах».	Funding The article was prepared under the RFBR grant 18-05-00217 A “Biogeochemical indicators of technogenic transformation of metal flows in objects”.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.