Экологическое состояние почв поймы реки Припять в регионе Мозырского Полесья

Лесные массивы расположены  преимущественно по левобережью, между  низовьями рек Ясельды и Птичи, по правобережью они сосредоточены юго-западнее г.Мозыря. Господствующими породами являются сосна и дуб. Поймы рек часто покрыты дубравами и дубово-грабовыми лесами, вырубки и гари обычно заняты березняками. Залесенность водосбора порядка 25% [9].

 

2.2. Методы исследования

2.2.1. Отбор проб

Отбор проб почвы проводился в соответствии с требованиями к  отбору  проб  почв  при  общих  и  локальных  загрязнениях, изложенными  в ГОСТ  17.4.4.02  –  84 [10].

Для отбора, хранения и транспортировки  проб почвы использовались плотно закрывающиеся, чистые инертные контейнеры, препятствующие внешнему загрязнению отобранных образцов.

Пробы почв для  исследования были взяты из поймы на левом берегу реки Припять из 3-х точек на глубинах 5-20 см, 20-35 см и 35-50 см (рис. 2.1). Первая точка располагалась на расстоянии 100м от русла реки – т. А, а последующие точки на расстоянии друг от друга 20 м (т. В и т. С).

Для  контроля  загрязнения  легко  мигрирующими  веществами  точечные  пробы  отбирались  по генетическим горизонтам на всю глубину почвенного профиля [11].

 

Рисунок 2.1. Место отбора проб.

 

Точечные пробы почвы, предназначенные для определения тяжелых  металлов,  отбирали  инструментом,  не  содержащим  металлов. После отбора проб оформляли акт отбора и этикетку для контейнера, на которой обозначены вид пробы, дата отбора, наименование пробы согласно протоколу. Этикетку прикрепляли к контейнеру с пробой с помощью прозрачной липкой ленты [11].

Отобранные и помещенные в контейнер пробы должны храниться  так, чтобы не изменить измеряемые величины массовой доли химических элементов, то есть в условиях, обеспечивающих достаточную  защиту от повреждения и нарушения  герметичности используемого контейнера [11].

Точная масса навески, необходимая для выполнения измерений  массовой доли химических элементов  бария, железа, кадмия, калия, кальция, кобальта, марганца, меди, никеля, свинца, серы, стронция, сурьмы, титана, хлора, хрома, цинка, циркония в почве и установлена в количестве 0,1 г [10].

Отобранные образцы высушивали в электрической печи низкотемпературной лабораторной при температуре 40 °С.  Высушенные образцы тщательно измельчали в лабораторной мельнице.

Из измельченного количества почвы на весах формируем навеску 0,1000 г ± 0,0001 г.

Указанную навеску спрессовывали в таблетку диаметром 10 мм при помощи гидравлического пресса из комплекта спектрометра энергий рентгеновского излучения.

2.2.2. Метод измерения

Измерения массовой доли химических элементов бария, железа, кадмия, калия, кальция, кобальта, марганца, меди, никеля, свинца, серы, стронция, сурьмы, титана, хлора, хрома, цинка, циркония выполняли методом рентгено-флуоресценции.

Рентгенофлуоресцентный (РФА) анализ является одним из множества современных физических методов измерений и широко используется для качественного и количественного определения элементного состава веществ. Среди разнообразия методов его отличают универсальность, экспрессность, достоверность и целый набор других уникальных потребительских свойств, обуславливающих широкое распространение метода в практике аналитических лабораторий [12].

Одним из основных преимуществ  метода является его неразрушающая  природа. Это позволяет применять  РФА в комплексных последовательных измерениях в сочетании с другими  физико-химическими методами, что  повышает достоверность получаемых результатов. Пробоподготовка образцов для измерений также довольно проста, а в некоторых случаях вообще может отсутствовать. Измеряемые вещества могут находится в различных агрегатных состояниях (твердотельные образцы, порошки, жидкости, газы). Спектры рентгеновской флуоресценции связаны с электронными переходами в остовных (внутренних) уровнях атома, что делает их нечувствительными к химическим связям. Благодаря этому спектры имеют относительно небольшое количество линий и удобны для расшифровки [12].

Метод РФА основан на измерении  энергий (длин волн в спектрометрах  с волновой дисперсией) и интенсивностей спектральных линий, эмитированных  при вторичной рентгеновской  эмиссии. Первичный поток квантов  от рентгеновской трубки облучает образец, заставляя каждый элемент этого  образца испускать вторичные  рентгеновские кванты, которые имеют  свойственный лишь этому элементу набор  энергий (основа для качественного  определения состава) и интенсивность потока вторичного выхода, зависящую от содержания этого элемента в пробе (основа для количественного анализа). Главной задачей количественного РФА является вычисление содержания измеряемого элемента из интенсивностей спектральных линий (аналитических сигналов) всех элементов образца [12].

Значения показателей  прецизионности измерений (стандартного отклонения повторяемости) были получены в ходе внутрилабораторного эксперимента, организованного и подвергнутого анализу в соответствии с СТБ ИСО 5725-2-2002, в котором использовались 4 образца почвы, в полной мере представляющих объекты, к которым данная методика применяется на практике [10].

2.3. Статистическая обработка и оформление результатов измерений

Для обработки результатов, удобства ведения расчетов и записей  использовали программу MS Excell.

Результат единичного измерения  массовой доли химических элементов  в пробе w_ij, статистическая погрешность, а также границы погрешности D выводилась в цифровом виде на экран ПК.

Массовую долю химических элементов параллельных измерений пробы (`w_j, мг/г), рассчитывали по формуле:

(2.1)

где w_1j,w_2j – массовая доля химического элемента j в параллельных измерениях пробы, мг/кг[10].

Границу погрешности результатов измерений массовой доли химического элемента j (D_j, мг/кг) вычисляли по формуле:

(2.2)

где D_1j, D_2j – границы погрешности параллельных результатов измерений массовой доли  химического элемента j в пробе, мг/кг [10].

Результаты измерений  и расчетов массовой доли химических элементов в образцах представляли в виде:

`

(2.3)

где   - массовая доля химического элемента j в параллельных измерениях пробы, мг/кг;

D_j – граница погрешности результатов измерений массовой доли химического элемента j, мг/кг [10].

Численные значения результата измерения и погрешности D представляем так, чтобы они оканчивались цифрами одного порядка.

 

 

 

Глава 3. Результаты исследования

3.1. Содержание ТМ в пойме р.  Припять

При рассмотрении химических микроэлементов в почве большое  внимание уделяется не только концентрации, но их распределению по профилю. На незагрязненных территориях особенности распределения обусловлены процессом почвообразования [2].

Накопление некоторых  из тяжелых металлов в верхнем  горизонте почвы есть результат биогенной аккумуляции. Ключевыми моментами этого процесса считаются: 1) извлечение корнями химических элементов из всей корнеобитаемой толщи и транспортировка их как жизненно необходимых в наземные органы растений, в центры метаболических реакций; 2) освобождение химических элементов из растительных остатков и местное их закрепление в почве при взаимодействии с гумусовыми кислотами, оксидами Fe и Al и т.д.

В результате проведенных  исследований выявлено, что содержание ТМ в образцах почвы существенно  различается (табл. 3.1).

Свинец. Содержание в земной коре (кларк) составляет 10 мг/кг. Гигиенические нормативы для концентраций Pb следующие: ПДК рабочей зоны – 0,01 мг/м³, атмосферного воздуха – 0,003 мг/м³, воды водоисточника – 0,03 мг/л, почвы – 32 мг/кг [12]. Региональный кларк составляет 21 мг/кг [13].

Валовое содержание Pb в большинстве отобранных образцов не превышает ПДК и регионального кларка. В т. А на глубине 5-20 см и 35-50 см валовое содержание выше регионального кларка (рис. 3.1).

    

Рисунок 3.1. Валовое содержание Pb.

 

Среди всех ТМ Pb наимее подвижен [16]. Как видно из графика Pb в основном аккумулируется в верхнем слое (5-20 см), но также присутствует миграция данного элемента в нижележащие слои.

 

 

 

 

 

Никель. В почвах Республики Беларусь в среднем содержится 20,0 мг/кг Ni [14]. Гигиенические нормативы для концентраций Ni следующие: ПДК рабочей  зоны - 0,005 мг/м3, атмосферного воздуха  - 0,002 мг/м3, воды водоисточников  - 0,1 мг/л, ОДК для почвы - 20 мг/кг [12]. Региональный кларк составляет 26 мг/кг [13].

Анализ  данных  по  содержанию  Ni  в почвах отобранных образцов  показал, что его содержание во всех пробах почвы значительно ниже регионального кларка и ОДК (рис. 3.2).

Рисунок 3.2. Валовое содержание Ni.

 

Распределение Ni в почвенном профиле определяется содержание органического вещества, аморфных оксидов и количества глинистой фракции [16].

Из рисунка видно, что  Ni аккумулируется в верхнем слое (5-20см). А миграция его вниз по профилю происходит в небольших количествах.

Цинк. Среднее    содержание    Zn  в    почвах   Беларуси  составляет  35,0 мг/кг [14]. Гигиенические нормативы имеются как для цинковых соединений, так и   для   Zn. Так, для   воздуха рабочей зоны ПДК для магнида цинка составляет 6,0 мг/м3, для оксида цинка - 0,5, для сульфата цинка - 5,0 мг/м3. В воде водоисточников для Zn ПДК составляет  1,0 мг/л,  а для водоемов,  используемых  для рыбохозяйственных целей, этот показатель составляет 0,01 мг/л. В песчаных и супесчаных почвах ОДК для Zn составляет 55,0 мг/кг [12]. Региональный кларк составляет 80 мг/кг [13]. 

Анализ  данных,  полученных  в  результате  проведенного  лабораторного исследования  отобранных  образцов почв,  свидетельствует,  что  содержание Zn  во всех  образцах  почв  ниже  существующего  ПДК и ниже регионального кларка (рис. 3.3).

         

Рисунок 3.3. Валовое содержание Zn.

 

В большинстве случаев  Zn накапливается в горизонтах почв с высоким содержанием гумуса [16]. В нашем случае – это верхний горизонт (5-20см), но так же присутствует миграции Zn по профилю почвы.

Медь. В почвах Беларуси содержание Cu составляет 13,0 мг/кг [14], ПДК в почве для меди составляет 55,0 мг/кг [12].  Региональный кларк составляет 21 мг/кг [13].

В  результате  эксперимента  установлено,  что в образцах почвы содержание Cu не превышает ПДК и регионального кларка (рис. 3.4)

 

 

     

Рисунок 3.4. Валовое содержание Cu.

 

При анализе полученных данных установлено, что для Cu характерна аккумуляция в верхнем слое и также миграции в нижележащие слои.

Марганец.  Элемент широко  распространен в природе  и  содержится  как  в земной коре, так и воде морей, рек и в почве. Региональный кларк Mn составляет  450 мг/кг [13], ПДК валового Mn составляет 1500 мг/кг [12]. 

Анализ  данных  по  содержанию  Mn в почвах отобранных образцов  показал, что его содержание во всех пробах почвы значительно ниже регионального кларка и ПДК (рис. 3.5).

  

Рисунок 3.5. Валовое содержание Mn.

 

При анализе данных наблюдалась  аккумуляция Mn в верхнем слое, но также присутствовала его миграция в нижележащие слои в малом количестве.

Хром. Региональный кларк составляет 105,0 мг/кг [13], ПДК  в  почве  –  100  мг/кг  [12],  ПДК в атмосферном воздухе 0,0015 мг/м³, ПДК в воде водоисточников – 0,005 мг/л. Региональный кларк составляет 105 мг/кг [13].

В результате исследований установлено, что в большинстве образцов почвы содержание Cr не превышает ПДК и региональный кларк, но только в т. А на глубине 5-20 см и в т. В на глубине 35-50 см содержание Cr несколько выше (рис. 3.6).

   

Рисунок 3.6. Валовое содержание Cr.

При анализе данных наблюдалась  миграция Cr в нижележащие слои, но в наибольшем количестве Cr содержится на глубине 5-20 см.

Кобальт.  Среднее содержание  его в почвах  составляет  0,1-13,0  мг/кг.

Элемент  Co  относится ко  2  классу  опасности,  гигиенические нормативы составляют:  в атмосферном воздухе - ПДК 0,001 мг/м3,  в воде  водоисточников  – ПДК 0,1 мг/л. ПДК в почве составляет 20 мг/кг [12], а региональный кларк – 6 мг/кг [13].

В  результате  исследований  установлено,  что  во  всех  образцах  почвы  содержание Co превышает не  только  региональный фон, но и ПДК (рис. 3.7).

     

Рисунок 3.7. Валовое содержание Co.

В ходе анализа была установлено, что Co имеет способность мигрировать по профилю почвы. Это может связано с тем, что органические хелаты кобальта легкоподвижны и хорошо мигрируют в почве.

Заключение

В результате проведенных  исследований можно констатировать, что проблема экологического состояния  почв имеет в настоящее время  особую актуальность. Большую роль в загрязнении почв играют тяжелые  металлы. Это обусловлено тем, что ТМ являются приоритетными загрязнителями окружающей среды, в частности почвы. ТМ обладают способностью накапливаться, образуя высокотоксичные металлосодержащие соединения, и потом вмешиваться в метаболический цикл живых организмов.

В ходе исследований экологического состояния почв поймы реки Припять в регионе Мозырского Полесья было установлено:

1. Содержание Mn, Ni, Cu, Zn в почвах поймы р. Припять не превышало ПДК/ОДК и региональный кларк. Валовое содержание Cr и Co в некоторых образцах превышало установленные значения ПДК/ОДК и регионального кларка. Превышение регионального кларка наблюдалось для Pb.
2. Для всех изученных элементов характерен биогенно-аккумулятивный тип распределения в почвах. Для ТМ отмечается присутствие миграции в нижележащие слои почвы.