УДК 631.42+504.064.2.001.18

Фоновое содержание тяжелых металлов в почвах Газимуро-заводского района Забайкальского края

Оразалин Адильхан Ерланович – кафедра Геоэкологии Института наук о Земле Санкт-Петербургского государственного университета.

Кукушкин Степан Юрьевич – кандидат географических наук, доцент кафедры Геоэкологии Института наук о Земле Санкт-Петербургского государственного университета.

Аннотация: Цель данного исследования заключается в определении фоновой концентрации тяжелых металлов и изучении их распределения в почвенном покрове на территории Забайкальского края в Газимуро-Заводском районе. Основными факторами, определяющими химический состав почвенного покрова на исследованной территории, являются: природный обусловленный почвообразующими процессами; породный азональный фактор, связанный с почвообразующими породами; породный азональный связанный с рудопроявлением.

Ключевые слова: тяжелые металлы, фоновые концентрации, почвенный покров, факторный анализ.

Введение

Концентрации тяжелых металлов в почвах без антропогенного воздействия обычно низкие и не представляют опасности для людей или экосистем. Однако сельскохозяйственная, промышленная и горнодобывающая деятельность в последние десятилетия способствовали значительному увеличению количества этих загрязняющих веществ в окружающей среде. В этом контексте нужны показатели, которые можно использовать в качестве фоновых концентраций для дальнейшей оценки воздействия антропогенной деятельности. Следовательно, необходимо установить показатели качества почвенного покрова, которые позволят определить антропогенную нагрузку и оценивать потенциальные риски для экосистем и здоровья человека.

Газимуро-Заводский (рис. 1) район является одним из крупнейших регионов по добыче полезных ископаемых, включая руды черных и цветных металлов. Проведение оценки фонового содержания ТМ в данном районе необходимо для проведения экологического мониторинга, определения уровня загрязнения окружающей среды и оценки рисков для здоровья населения.

Рисунок 1. Обзорная карта-схема (составлено автором в ПО AutoCAD).

Материалы и методы

Отбор материала проводился в период с июля по август 2022 года. С поверхностного горизонта было отобрано 263 пробы почвенного покрова (0,0 – 0,2 м), пробные площадки закладывались с учетом физико-географических особенностей территории. Отбор проб почвенного покрова проводился согласно ГОСТ 17.4.3.01-2017 «Почвы. Общие требования к отбору проб», ГОСТ 17.4.4.02-2017 «Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического и гельминтологического анализа».

Определение микроэлементов в почвенном покрове проводилось с использованием метода масс-спектрометрии с индуктивно-связной плазмой (ICP-MS). В ходе лабораторных исследований были определены следующие ТМ: Cu, Zn, Pb, Cd, Ni, As, Hg, Cr. Данные микроэлементы определялись в связи с их токсичностью, также эти металлы относятся к первому и второму классу опасности [10].

Фоновые концентрации ТМ определялись с использованием метода «трех сигм» [2]. При геохимических расчетах параметры распределения содержания элемента были оценены на основе статистических законов, таких как среднее арифметическое, максимальное значение, минимальное значение, стандартное отклонение и вероятностная ошибка.

В рамках данного исследования был проведен факторный анализ естественных почв и техногенных грунтов. Для его проведения было использован программный комплекс «STATISTICA 12ÒÔ».

Результаты и их обсуждения

В следствии отбора материала лишь с поверхностного слоя почвенного покрова, фоновые содержание ТМ устанавливались в суглинистые почвы (159 проб), супесчаные почвы (48 проб), торфяные почвы (56 проб).

Использование статистических методов при определении геохимического фона (табл. 1) показало, что в почвах исследованной территории концентрации ТМ находятся на низком уровне. В тоже время следует отметить значительный разброс значений у определяемых элементов в выборках.

Таблица 1. Концентрации ТМ в разных типах почв (мг/кг).

ТМ	Суглинистые почвы	Супесчаные почвы	Торфяные почвы
pH	5,17	5,22	5,76
Cd	0,23±0,02 0,01 – 0,50	0,20±0,04 0,04 – 0,45	0,18±0,04 0,02 – 0,51
Cu	7,38±0,60 1,47 – 16,40	5,55±0,97 1,39 – 12,40	9,36±1,45 1,56 – 23,9
Ni	9,62±0,57 2,96 – 18,30	8,72±1,34 1,68 – 18,70	7,98±1,03 1,67 – 15,90
Pb	6,58±0,58 1,55 – 15,70	6,27±1,31 1,98 – 19,30	5,75±1,02 1,12 – 16,20
Zn	23,41±1,58 2,14 – 47,00	30,71±3,82 8,10 – 60,00	14,93±1,87 2,54 – 32,40
As	<0,20	<0,20	<0,20
Hg	<0,05	<0,05	<0,05

Примечания: в числителе указано мат. ожидание и вероятностная ошибка, в знаменателе – интервал измерения концентраций

Для территории Юго-Восточного Забайкалья по мере повышения кислотности характерны повышенные концентрации Zn – 47±24 мг/кг [5]. Высокое содержание Zn и Cd (до 1,38 мг/кг) являются следствием особенности геологического строения исследованной территории, которая находится вблизи рудного месторождения. Вблизи таких месторождений наблюдается вынос за пределы рудопроявления Zn и накапливания его на периферии рудного тела [8].

Следует отметить закономерность распределения концентраций данных элементов. Высокий уровень концентраций ТМ обычно наблюдаются на вершинах сопок, где материнские породы находятся ближе к поверхности и где толщина почвенного покрова поверх породы меньше, чем на менее крутых поверхностях. Наоборот, низменности, долины рек и пологие склоны имеют низкие уровни концентрации ТМ. Такое явление может быть связано с тем, что горные почвы испытывают непрерывный привнос веществ, который обусловлен выветриванием, и чем интенсивнее оно, тем более измельчен выветривающийся материал [11].

Фоновые концентрации ТМ в почвах Газимуро-Заводского района были сравнены с другими исследованиями [1, 3, 4, 7, 9]. В своих работах авторы установили фоновые концентрации ТМ в Забайкальском крае, на территориях с похожим геологическим строением и в ближайших районах. Сравнивая полученных результаты с другими исследованиями, можно заключить что исследованная территория характеризуется низким уровнем концентраций ТМ.

Исходя из полученных результатов факторного анализа почв фоновых территорий следует отметить распространенные закономерности распределения химических элементов (рис. 2). Первый фактор можно интерпретировать как природный, обусловленный почвообразующими процессами. Наличие органического вещества коррелирует с содержанием ТМ в почвенном покрове. Наличие слабокислой среды как антагониста обуславливает интенсивную миграцию ТМ.

Рисунок 2. Факторы, формирующие химический состав почвенного покрова.

Второй фактор можно отнести к породному. Магматические породы исследованной территории имеют кислую среду, чем и вызывают подвижность ТМ [6]. Данный почвообразующий фактор может приводить к изменению содержания химических элементов в верхнем слое почвы, что может быть связано с накоплением гумуса, изменением реакции среды, перемещением тонкодисперсных частиц и т.д. [12].

Можно предположить, что третий и четвертый факторы связаны с рудопроявлением. Территория исследования находится вблизи золото-медно-порфирового месторождения, вблизи которых наблюдается накапливания Zn на периферии рудного тела [8].

Заключение

Впервые для исследуемого района были установлены фоновые концентрации ТМ (Cu, Pb, Ni, Zn, As, Hg, Cd) в почвенном покрове. Была проведена статистическая обработка полученных данных с последующей интерпретацией.

Важным результатом работы является установление значительных колебаний концентраций тяжелых металлов в различных компонентах среды. Также были выявлены факторы, влияющие на распределение микроэлементов в природных объектах. Основными факторами формирования почв на исследованной территории являются природные и геологические процессы. Большой разброс в содержании Zn и Cd в поверхностном горизонте почв связан с особенностями геологического строения территории и оруденением горных пород в следствии воздействия золото-медно-порфирового месторождения.

Активное освоение недр Газимуро-Заводского района неизбежно приведет к антропогенному воздействию на окружающую среду. Полученные содержания ТМ в почвах и поверхностных водах можно применять как фоновые концентрации при контроле разработки и эксплуатации месторождений путем проведения мониторинга.

Список литературы

1. Белошейкина, А.В. и др. Эколого-геохимическая оценка состояния почвенного покрова территории Сорского горногообогатительного комбината (Республика Хакасия) / Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2020. С. 44-53.
2. Беус, А.А., Грабовская, Л.И., Тихинова, Х.В. (1976) Геохимия окружающей среды. Москва: Недра, 1976 г. – 248 с.
3. Войтюк, Е.А. Аккумуляция тяжелых металлов в почве и растениях в условиях городской среды: автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук / Улан-Удэ, 2011. – 22 с.
4. Воронкова, А.С. Содержание Zn, Cd, Pb в почвах, нарушенных деятельностью угледобывающих предприятий / Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2006. С. 239-247.
5. Иванов, В. В. Экологическая геохимия элементов: Справочник: В 6 кн. Под ред. Э. К. Буренкова. – М.: Недра, 1995. – Кн. 1: d-элементы. – 416 с.
6. Ковалев, Ю.А. и др. Култуминское золото-медно-железо-скарновое месторождение (Восточное Забайкалье, Россия): петрогеохимические особенности магматизма и процессы рудообразования / Геология и геофизика. – 2019. С. 749-771.
7. Копылова, Л.В. и др. Содержание тяжёлых металлов в почвах и растениях урбанизированных территорий (Восточное Забайкалье) / Чита: Забайкальский государственный университет, 2013. – 154 с.
8. Лесняк, Д.В. и др. Структурные, геофизические и геохимические критерии эпитермального кислотно-сульфатного золотого оруденения на примере рудного поля Светлое (Хабаровский край) / Известия Томского политехнического университета. – 2022. С. 60-72.
9. Мишанькие, Е.Г. и др. Минералого-геохимические особенности почвенного покрова золоторудного месторождения Вьюн (Республика Саха (Якутия)) / Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2021. С. 98-109.
10. МУ 2.1.7.730-99 «Гигиеническая оценка качества почвы населённых мест».
11. Самофалова, И.А. и др. Эколого-генетическая характеристика почв горно-лесного пояса на Среднем Урале / Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2013. С. 1426-1431.
12. Сысо, А.И. Закономерности распределения химических элементов в почвообразующих породах и почвах Западной Сибири / Издательство Сибирского отделения РАН, 2007. – 277 с.