Эколого-геохимические исследования окружающей среды в Прикамье для выявления особенностей распространения химического загрязнения в депонирующих средах (снеговой покров, почвы, растительность) на урбанизированных территориях с различной спецификой техногенеза и вне зон активных антропогенных воздействий.
С экологических позиций наибольшей опасностью изменения химических свойств окружающей среды характеризуются аэрогенные поступления ЗВ. Образованные ими ореолы загрязнения имеют несколько уровней. Первый - от локальных источников, второй - от совместного воздействия всех существующих пределах региона источников выбросов, и третий - в результате трансграничного переноса ЗВ. Пространственная совокупность всех уровней загрязнения формирует геохимические аномалии, интенсивность которых может быть выражена в виде количественных показателей, рассчитанных относительно фоновых для рассматриваемых компонентов ландшафта. Однако следует отметить, что в результате трансграничного массопереноса ЗВ получить достоверные данные о природном химическом составе объектов, используемых в качестве контроля (фона) затруднительно. Потому, при обработке и интерпретации аналитического материала, применены глобальные, зональные и нормативные показатели.
По результатам эколого-геохимического картирования были выявлены особенности химического загрязнения в промышленных центрах края (Пермь, Соликамск, Кизел, Губаха), в городах, с гораздо меньшей техногенной нагрузкой (Нытва, Очер) или имеющих только предприятия местной промышленности (Кудымкар), а также в природно-естественных условиях. Полученный материал неравноценен по сопряженности обследования компонентов природной среды.
Наибольшее внимание было уделено изучению состояния приземного воздуха, поскольку на человека, прежде всего, воздействует загрязненная воздушная среда. Хороший депонент атмосферных загрязнителей за зимний период - снежный покров, позволяющий решить проблему их количественного определения. Загрязняющие вещества, поступающие воздушным путем, с растительным опадом и талыми водами, накапливаются в верхней части почвенного разреза. Изучение химического состава почвы важно для оценки возможного поступления ЗВ в организм человека по пищевым цепям. Множество садово-огородных участков в крае опоясывает промышленные центры и располагается вдоль наиболее оживленных автотрасс и, следовательно, находится в зоне досягаемости выбросов стационарных и передвижных источников ЗВ. Аэрогенные потоки оказывают свое влияние и на растительный покров. Еще один прямой путь поступления ЗВ в организм человека - питьевая вода. И, если, в краевом центре, благодаря программе «Чистая вода», были выполнены многие аспекты изучения химического состава поверхностных и подземных вод, водоподготовки и водоотведения, то для большинства остальных урбанизированных поселений к настоящему моменту имеются лишь материалы изысканий для водоснабжения почти 40-летней давности. Естественно, что за этот период времени могли произойти негативные изменения химического состава вод, используемых населением для питья. Поэтому было выполнено рекогносцировочное эколого-геохимическое обследование подземных и поверхностных вод на комплекс ЗВ в г. Кудымкар, в Косинском районе и в бассейне р. Ласьва (Краснокамский район).
Ниже дана сравнительная характеристика показателей атмосферной миграции, интенсивности техногенной нагрузки и уровней загрязнения исследованных ландшафтов микроэлементами и бенз (а)пиреном.
• Урбанизированные ландшафты.
Превышение фоновой пылевой нагрузки на снежный покров установлено на всех обследованных объектах. Наиболее запыленным оказался снег на территории Кизеловско-Губахинского промрайона и г. Нытва в 1992-93годах. Среднесуточный приход пыли более 15 кг/км2 выявлен в г. Нытва повсеместно, в Кизеловско-Губахинском промрайоне на 88 - 95 %, а в г. Соликамске на 70% исследованных площадок. Превышение фоновой пылевой нагрузки г. Перми установлено лишь на четверти обследованных площадок в 2000 году, но уже в 2005 году концентрации пыли выше фона были отмечены почти в 80% случаев. Повышенное относительно фона поступление технофильных элементов на снежный покров характерно для всех обследованных территорий. В ассоциацию микроэлементов с высокими коэффициентами относительного увеличения фоновой нагрузки почти повсеместно входят Cd, Sn, Be, Cr, Ni, Cu, Zn и другие токсичные металлы, образующиеся в процессе техногенеза. Конечно, в разные годы и на разных территориях количество и положение элементов в ассоциациях было неодинаково. Так, в пылевых выпадениях на снежный покров в Кизеловско-Губахинском промрайоне преобладают Cd и Be. Ассоциация аномальных микроэлементов в г. Нытва состоит из Сr, Pb, Sn, Ni, Zn, Co, V характерных для выбросов металлургической отрасли. В г. Соликамске зафиксированы очень высокие значения (Кр> 500) по Sn, Mo, Ni и Cr, причем лидирует Sn, как результат выбросов бумагоделательной промышленности. Олово находится на втором месте и в ассоциации аномальных микроэлементов, поступающих в снежный покров на территории г. Пермь, что, по-видимому, так же связано с деятельностью ЦБК в пос. Голованово и ЦБК в г. Краснокамске. Представление о нагрузке, характеризующей суммарное воздействие ассоциации аномальных микроэлементов, на снежный покров дает показатель Zp, наибольшее значение которого отмечено в 1998 г. в г. Соликамске. Относительно повышенные значения Zp наблюдались в 1993 году (г. Кизел и г. Нытва), а также в 2000 году на обследованной территории г. Перми .
При общем сходстве рядов аномальных микроэлементов наиболее высокие показатели накопления выявлены в пылевой фракции снежного покрова.На большинстве изученных территорий установлены «средние умеренно опасные» и «высокие опасные» уровни загрязнения снежного покрова и почв.
Самые высокие значения Zc выявлены на большей части обследованной территории городов Соликамска (1998 г.), Перми (2000 г.) и Нытвы (1993).«Очень высокий» уровень загрязнения снега зафиксирован также и на каждой четвертой площадке г. Кизел в 1993 году. Почвы отражают аэрогенное загрязнение не столь однозначно, как снежный покров, вследствие многообразия самих почв, а также влияния многих факторов (химического и биологического выветривания, влияния гумуса и глинистых минералов, биологического круговорота и др.), определяющих содержание микроэлементов в них. Наиболее загрязнена почва в г. Кизел (1993 г.). Минимальная опасность загрязнения почв установлена по показателю Zc<16 на большей части площадок в городах Нытва, Очер и Соликамск. В травостой микроэлементы поступают с атмосферными выпадениями и с почвенными растворами при корневом питании. Наибольшие коэффициенты накопления травянистой растительностью установлены на обследованных городских территориях (Нытва, Соликамск, Кудымкар) - у сидерофилов и халькофилов с высокой техногенностью. Так, значения Кс в пределах от 10 до 1 в разнотравье обследованных городских территорий выявлены по Sn, Рb, Тi, V, Cr , Zr. Корни разнотравья накапливают микроэлементы, в несколько бόльших количествах, чем надземная часть. По данным исследований других видов растительности, проведенных в г. Кизел (листва и опад березы бородавчатой), Кудымкар (мхи), помимо перечисленных выше накапливающихся элементов, в листве березы присутствуют Sc и Ga, во мхах -V (но нет Ti).
Необходимо отметить, что состав ассоциаций аномальных элементов в снежном покрове, почве и траве частично совпадает. Например, в г. Нытва, из 14-ти элементной ассоциации пылевой составляющей снежного покрова аномальными значениями Кс в почве обладают 11, в разнотравье - 6. При этом во всех депонирующих средах накапливаются Cr, Sn, Pb, V, Ti, Zr. На обследованной территории г. Соликамска, аномальное накопление установлено по 13 (снежный покров) , 8 (почвы) и 6 (разнотравье) микроэлементам. Причем в исследованных компонентах ландшафта выявлено повсеместное накопление Sn, Cr, Zr, Ti . Аномальные значения Кс по Pb зафиксированы в снеге и разнотравье, по V только в траве. Следует отметить, что среди накапливающихся в почвах и разнотравье микроэлементов отсутствует Сd, которым загрязнен снежный покров (приземный воздух) практически всех обследованных городов Пермского края. Это может быть обусловлено тем, что «в условиях гумидного климата миграция Cd вниз по профилю более вероятна, чем накопление в поверхностном горизонте». Как нами уже отмечалось выше, почвы наследуют микроэлементный состав кор выветривания, на которых образовались. И, по-видимому, этим обстоятельством, а не техногенезом, объясняются высокое содержание таких элементов как Zr и Sn в почвах г. Кудымкар.
При рассмотрении относительных содержаний 3,4-БП видно, что в целом, наиболее загрязнен снежный покров Кизеловско-Губахинского промрайона и г. Перми. При этом превышение значений ПДК и фона зафиксировано практически повсеместно на всех обследованных территориях. В почвенных образцах относительное содержание бенз(а)пирена, в среднем на порядок ниже, чем снежном покрове. «Значительный» и «большой» уровни загрязнения зафиксированы в 30% (г. Нытва) и 48% (г. Очер) проанализированных почвенных образцов. Аналогичные уровни загрязнения почвы установлены более, чем на половине обследованных площадок г. Соликамска. В г. Кудымкар фоновый уровень загрязнения 3,4-БП установлен на 70% обследованных площадок. Полученные данные свидетельствуют о большем уровне загрязненности бенз (а)пиреном травяного покрова г. Соликамска.
Таким образом, установлено, что на обследованных урбанизированных территориях пылевая нагрузка на снежный покров выше средней фоновой, а состав аномальных ассоциаций микроэлементов, выявленных в пылевой фракции снежного покрова и почвах, в целом связан со структурой промышленности.
Природные ландшафты. Атмосферный приход ЗВ в удаленных от промцентров районах изучался в течение нескольких лет. И если для урбанизированных территорий мы имеем своего рода разовую «фотографию» этого процесса в конкретные годы, то в последнем случае возможные флуктуации распределения ЗВ из-за погодных условий, снижения (увеличения) выбросов и т. п. - нивелируются.
Значение средней удельной пылевой нагрузки за зимний период в Косинском районе не превысило нижней границы этого показателя для Нечерноземья, а в бассейне р. Ласьвы, находящемся под влиянием Пермско-Краснокамского промузла, ее среднее многолетнее значение оказалось, соответственно, не больше верхней границы. Минерализация талых вод в бассейне р. Ласьва также несколько выше (16,3 мг/дм3), чем в окрестностях с. Коса (10,5 мг/дм3).
В природных условиях пространственный характер распределения ЗВ определяется иными причинами, чем на урбанизированных территориях. Основную роль здесь играют два фактора – чередование залесенных и открытых участков и ориентация склонов относительно преимущественного направления движения воздушных масс. В окрестностях с. Коса в твердофазных выпадениях на снежный покров накапливаются Sn>Pb>Cr>Ba>Zr>Ni>Cu; близки к условному уральскому кларку - Mo, Zn и Mn. В бассейне р. Ласьва – Sn> Pb>Cr>Ni>Cu>Zn>Ge>Мo>Ba>Mn. В приведенных ассоциациях присутствуют микроэлементы, характерные для урбанизированных территорий, за исключением Сd, Ве, V и Ti; дополнительно в ассоциациях появляются Ba и Ge. Полученные значения показателя Zc снежного покрова для условно-чистых территорий подтвердили факт их включения в глобальный процесс загрязнения в результате атмосферного переноса.
Генезис и состав почв в Косинском районе разнообразен, в бассейне р. Ласьвы, напротив, состав отличается однородностью. Накопление микроэлементов в почвах вблизи с. Коса в условиях относительно выровнен-
ного рельефа практически не зависит от типа ландшафта, а определяется характером почв. По сравнению с кларком почв мира , самый верхний слой (до 5 см) подзолистых почв, сформировавшихся на кварцевых песках, обогашен Ва, Cd, Cr, Zr, Pb, Cu и Sn (если проводить сравнение с подзолами, то Кс Zr cтановится еще больше, в ассоциации накапливающихся металлов появляются Со и Zn). Среднее значение Zc для этих почв составило 25,5. Дерново-карбонатные и суглинистые почвы водоразделов накапливают Сd, Ba, Cr, Mn, Zr и Cu. В верховых торфах ассоциация накапливающихся металлов еще шире: Ва> Cd> Pb> (Mo,Mn)> Cu> (Cr,Zn)> Sn, что практически совпадает с более ранними выводами А.М. Кропачева для верховых торфов западного склона Северного Урала. Как видно из приведенных выше материалов, во все ассоциации входит Сd, но фактические ряды этого металла отличаются крайней неоднородностью, часто он определен в нескольких пробах из десятков. Однако, учитывая подвижность этого металла в кислых и щелочных почвенных растворах , его склонность к хелатообразованию, токсичные и канцерогенные свойства, мы включили его в ассоциацию накапливающихся в здешних почвах металлов, хотя бы и по единичным пробам. Тем более, что он обнаружен в концентрациях 20мг/кг при фоновых уровнях не более 0,5 мг/кг Присутствие Сd в почвах условно чистых территорий требует дальнейших исследований с помощью более чувствительных методов, поскольку в твердофазных выпадениях в зимний период он не был зафиксирован как накапливающийся.
В отличие от Косинского района, в бассейне р. Ласьва, распределение показателя Zc для относительно однородных по составу почв имеет определенную закономерность: на водоразделах его среднее значение 19,3, в верхних и средних частях склонов речных долин – 23,9 и в припойменных частях склонов и в поймах – 61. В распределении Zc почв здесь выявляется такая же особенность, как и для снежного покрова: точки с наибольшими Zc находятся на склонах юго-западной и южной ориентации по отношению к городам Пермь,Краснокамск. Из накапливающихся в почвах бассейна р. Ласьвы элементов , с техногенезом связаны Сd, Pb и Sn. Аккумулирующая роль лесных подстилок, хорошо иллюстрируется повышенными, по сравнению с почвой, средними значениями Zc. Причем лиственная подстилка в образцах из Косинского района наиболее обогащена микроэлементами и уровни высокоопасного и чрезвычайно опасного загрязнения (по аналогии с почвами Zc >32) достигают 62,5%. В бассейне р. Ласьвы, такими уровнями характеризуются уже 75% площадок с разной по составу подстилкой.
Сопоставляя микроэлементный состав нескольких видов многолетних растений и надземной части разнотравья, вегетирующей в течение теплого периода, с генеральным средним содержанием в золе растительности континентов, можно подметить определенную избирательность в накоплении элементов теми или иными видами. Из литературы известно, что мхи и лишайники избирательно аккумулируют Ga, представители бобовидных, крапива двудомная и хвощ, широко представленные в разнотравье в бассейне р. Ласьва, соответственно, - Сd, Zr и Ti, а черника (vaccinium myrtillus) - концентратор Pb. Ситуация с Сd аналогична таковой для почв и требует также детальной проверки. В отдельных образцах содержание этого металла превышает кларк в 200 раз. Согласно показателям Zc, из исследованных видов растительности в окрестностях с. Коса наибольшему загрязнению подвержено разнотравье, затем следуют многолетние растения семейств брусничных и вересковых и эпигейные лишайники. Следовательно, здесь по-видимому проявляется сезонное загрязнение, обусловленное северо-восточным переносом. На водосборе р. Ласьвы ряды значений Zc, как для многолетних растений (мхи), так и для травостоя характеризуются значительным размахом, и составили, соответственно, 8,8 – 412, и 1,0 -308. При этом медиана Zc по мхам почти в 4 раза выше, чем по разнотравью. Расчетные значения суммарного балла равнозначных градаций подтвердили, что растительный покров вблизи урбанизированных территорий испытывает гораздо большую антропогенную нагрузку.
Загрязняющие ингредиенты с водосборов в результате миграции поступают в поверхностные воды и горизонты активного водообмена. Проведенный сравнительный анализ полученного авторами материала позволил сделать следующие выводы:
• гидрохимические показатели поверхностных вод в бассейне р. Косы не превышают нормативов, воды аллювиального водоносного комплекса отличаются повышенным содержанием Mn и Ni; содержание Zr в подземных водах в Косинском районе огромно, что выявляется относительно разных систем сравнения и обусловлено литологией; основные гидрохимические показатели воды скважины, снабжающей питьевой водой с. Косу и пос. Кордон находятся в пределах нормативов;
• водоисточники в г. Кудымкаре, использующиеся для водоснабжения находятся в начальной стадии антропогенного загрязнения, о чем свидетельствует высокое содержание нитратов и фосфора; особенности микроэлементного состава обусловлены геохимией водовмещающих пород,
• содержание многих микроэлементов в воде р. Ласьвы и ее притоков превышает их средние оценки как для пресных вод, так и нормативы, причем Рb и Sn наиболее характерны для половодья и, следовательно, поступают в русловую сеть при таянии снега, а Сd – для зимних проб, т. е., другими словами, этим металлом загрязнены подземные воды. Подземные воды (родники, скважины, колодцы) отличаются большой жесткостью и невысоким качеством вследствие интенсивного антропогенного загрязнения.
Сравнение величин эколого-геохимических показателей по различным компонентам ландшафтов Пермского края позволил заключить, что даже наиболее удаленные от городов территории в настоящее время испытывают антропогенную нагрузку. Прежде всего, это проявляется для почв и многолетней растительности. Снежный покров на расстоянии около 300 км от источников техногенеза менее подвержен загрязнению, но и здесь в ассоциации накапливаются технофильные микроэлементы, характерные для приземного воздуха городских территорий.
