Влияние несанкционированных свалок бытовых отходов на экологическое состояние почв (на примере территории г. Ульяновска) >03. 02. 08 экология (биология) 03. 02. 13 почвоведение
| Вид материала | Автореферат |
- Задачи : изучить причины появления мусорных свалок; установить их влияние на состояние, 304.79kb.
- Рабочая программа дисциплина: Экологическое почвоведение и экология почв Направление, 431.85kb.
- Положение Об организации утилизации и переработки бытовых и промышленных отходов, 89.39kb.
- Программа вступительных испытаний по «Почвоведению» Направление подготовки 021900 почвоведение, 322.74kb.
- Состояние окружающей среды в Омской области, 414.06kb.
- Методические рекомендации по организации деятельности в сфере сбора, утилизации и безопасного, 823.63kb.
- Примерная программа наименование дисциплины общее почвоведение рекомендуется для направления, 186.42kb.
- Отрицательное воздействие на атмосферный воздух твердых бытовых отходов. Комина, 44.63kb.
- «Биология почв» Общая трудоемкость дисциплины составляет, 24.14kb.
- Концепция мелиорации земель в комплексе: плодородие, земледелие, мелиорация, экология, 191.17kb.
5.1 Общая оценка накопления химических элементов в городских почвах под влиянием несанкционированных свалок
В результате предварительных теоретических исследований было установлено, что в почвенном покрове на участках мусорных свалок могут накапливаться и являться потенциальными загрязнителями следующие элементы: С, N, P, S, Cu, Zn, Cr, Pb, Cd, Hg, As, поскольку аномальное содержание органического вещества и отдельных элементов (ТМ, мышьяка, фосфора) показано для культурного слоя (Каздым, 2006, 2010), а перечисленные ТМ обычно содержатся в повышенных количествах в городских почвах и почвах в зоне влияния муниципальных свалок ТБО (Горбачев, Аванесян, 2008; Горбачев и др., 2010; Романова, 2009 и др.). Данные теоретических исследований требовали экспериментальной проверки, и с этой целью был проведен рентгеноспектральный полуколичественный анализ.
В результате установлено, что элементы C, F, P, S, Cl, Ca, Cr, Co, Cu, Zn, As, Mo, Sn, Sb, Pb в значительных количествах накапливаются в исследованных почвах, поскольку коэффициент их накопления существенно (более чем в 1,5 раза) превышает кларковое содержание. Содержание Na, Mg, Si, K, Sc, Mn, Fe, Ni, Sr, Zr, Ba, Th в почвах на участках данных свалок мало отличается от кларков почв, - это может быть связано с особенностями минерального состава почв, с содержанием данных элементов в первичных минералах, а также низким содержанием или слабым выделением веществ, содержащих эти элементы, из поверхностных отложений ТБО.
Таким образом, результаты рентгеноспектрального анализа в общем виде подтвердили данные теоретических исследований о накоплении в почвах, загрязняемых современными бытовыми отходами, вышеперечисленных элементов (за исключением Cd, содержание которого данным методом не определялось, и Hg - ниже предела обнаружения).
5.2 Геохимические показатели бытового органического загрязнения городских почв
Содержание органического вещества в городских почвах под свалками колеблется в широких пределах - от 1,2 до 12,4%. В результате исследования установлено, что концентрации органического вещества в почвах г. Ульяновска, превышающие уровень 5-6% можно считать индикаторами сильного бытового загрязнения, но при этом концентрации ТМ не обязательно будут достигать опасных уровней (не проявляется сильной корреляционной связи).
Содержание аммонийного азота в исследованных образцах составляет от 40 до 100 мг/кг (что в 2-4 раза превышает фоновый уровень). Установлено, что концентрация аммонийного азота в поверхностном слое городских почв на уровне 40-50 мг/кг и выше (в летний период) может считаться показателем свежего органического загрязнения территории. Такие концентрации наблюдаются на всех участках несанкционированных свалок ТБО в г. Ульяновске, что свидетельствует о свежем органическом загрязнении почв и об интенсивной деградации белковых компонентов органической части ТБО.
Валовое содержание фосфора и серы в поверхностном слое городских почв на уровне 500 мг/кг и выше может служить индикатором бытового загрязнения. Концентрации фосфора свыше 900 мг/кг и серы свыше 800 мг/кг соответствуют участкам значительного антропогенного изменения почв, которые по геохимическим свойствам становятся схожи с культурным слоем (Каздым, 2006). Участки несанкционированных свалок с аномально высоким содержанием фосфора и серы (превышающим фоновый уровень в 2 и более раза), как правило, расположены в подчиненных ландшафтах, что создает опасность загрязнения поверхностных и грунтовых вод фосфатами и сульфатами.
Загрязнение мышьяком городских почв, занятых свалками, является локальным. Наиболее вероятно загрязнение мышьяком тех участков, которые расположены в сырых местах подчиненных ландшафтов. Накопление мышьяка на уровне 1-3 ОДК отмечается на участках с повышенным содержанием фосфора и серы.
Типичные биофильные элементы (N, P, S) могут быть токсичными в повышенных концентрациях. Фосфор и сера могут образовывать оксианионы PO43- и SO42-, конкурирующие с ТМ и As за сорбционные места в компонентах почвы, увеличивая токсичность почв. Кроме того, при высоком уровне органического загрязнения почв и грунтов сохраняется санитарно-гигиеническая опасность, обусловленная содержанием условно-патогенных и патогенных микроорганизмов - возбудителей различных заболеваний. В этой связи очень важно не допускать погребения субстрата ныне существующих несанкционированных свалок под техногенными наносами, а также подробно инвентаризировать и картографировать зоны бытового загрязнения городских почв.
5.3 Реакция почвенного раствора исследуемых почв
По сравнению с почвами парков г. Ульяновска (рН близка к нейтральной), почвы на участках несанкционированных свалок характеризуются преимущественно щелочной реакцией. По результатам проведенных анализов не зафиксировано ни одного случая подкисления почв и почвоподобного субстрата на участках свалок, несмотря на сезонные процессы разложения органических отходов. В целом реакция почвенного раствора всех исследованных образцов варьирует от 7,21 до 9,14. Данное явление имеет как положительную, так и отрицательную стороны. Положительная заключается в том, что в данном интервале рН неподвижны большинство ТМ (Fe, Cu, Co, Ni, Zn и др.), а отрицательная заключается в негативном воздействии щелочной среды на растения.
5.4 Оценка накопления ТМ в городских почвах под влиянием несанкционированных свалок ТБО
Известно, что биосфера обладает важнейшим свойством единства геохимической среды и жизни, которое выражается в постоянной зависимости жизни от геохимических условий и в адаптации к данным условиям живых организмов. Существуют природные эколого-геохимические нормы, к которым эволюционно приспособлены живые организмы. Наиболее общими показателями экологической нормы в данном случае являются кларковые величины, поскольку кларк - это среднее содержание элемента в почвах, к которому эволюционно приспособилось все живое вещество (Алексеенко, 2003, 2006), и этот уровень приближенно определяет наиболее распространенную обстановку жизни (Зарицкий, 2003). Зональные оценки фона микроэлементов в почвах с экологической точки зрения также характеризуют безопасный для экосистем уровень их содержания в почвенном покрове населенных пунктов. С помощью коэффициентов концентрации элементов, подсчитанных к почвенным кларкам и зональному фону, можно оценить накопление ТМ в почвах г. Ульяновска под влиянием несанкционированных свалок (табл.3).
Таблица 3
Элементный состав геохимических аномалий в исследуемых почвах, рассчитанный относительно кларков и зонального фона для серых лесных почв
| Показатели для оценки отклонений от эколого-геохимической нормы | Состав аномалий в исследованных почвах (глубина 0…20 см) | |
| средние значения | максимальные значения | |
| Почвенные кларки ТМ | Pb 11,6 - Zn 4,7 - Cd 2,2 - Cu 1,9 | Pb 85,2 - Zn 16,6 - Cu 4,8 - Cd 3,8 |
| Фоновое содержание ТМ в почвах лесостепной зоны | Pb 9,3 - Zn 3,9 - Cd 3,1 - Cu 1,6 | Pb 68,1 - Zn 13,8 - Cd 5,4 - Cu 4,0 |
Примечания: 1) численный индекс после символа элемента соответствует коэффициенту концентрации (Кс) данного элемента; 2) в состав аномалий входят металлы, для которых Кс>1,5.
Приведенные в табл.3 данные показывают отклонения содержания ТМ от глобальной и зональной эколого-геохимической нормы, но не позволяют оценить собственный вклад несанкционированных свалок в загрязнение городских почв. Для решения этой задачи нами определялись коэффициенты концентрации ТМ по отношению к местному геохимическому фону. Расчет проводился индивидуально для каждого участка, с учетом разных типов элементарного ландшафта (автономного, транзитного, аккумулятивного). Результаты проведенной оценки представлены в табл.4.
Таблица 4
Элементный состав геохимических аномалий в почвах г. Ульяновска, занятых несанкционированными свалками бытовых отходов
| Номер участка | Территориальная принадлежность участка (зона города) | Состав аномалий с коэффициентами концентраций по отношению к местному фону (глубина 0…20 см) |
| 1 | селитебная | Cu 8,0 - Zn 4,3 - Pb 1,8 - Cr 1,8 - Cd 1,6 |
| 2 | селитебная | Zn 7,8 - Cu 4,8 |
| 3 | общественной застройки | Zn 7,4 - Cu 3,3 - Pb 2,1 |
| 4 | селитебная | Zn 13,2 - Cu 7,9 - Cd 3,0 - Pb 2,9 |
| 5 | селитебная | Zn 5,7 - Cu 2,7 |
| 6 | парковая | Zn 6,9 - Cu 2,7 - Pb 1,8 - Cd 1,6 |
| 7 | селитебная | Zn 2,9 - Cu 2,6 - Cd 2,2 - Pb 2,1 |
| 8 | селитебная | Zn 10,1 - Cu 9,0 - Cd 2,7 - Cr 2,6 - Pb 2,1 |
| 9 | селитебная | Zn 3,6 - Cu 2,6 - Cd 2,0 |
| 10 | граница парковой и селитебной | Zn 16,4 - Pb 9,4 - Cu 7,1 - Cd 1,7 |
| 11 | граница парковой и селитебной | Zn 3,8 - Cu 2,5 - Cd 1,8 - Pb 1,3 |
| 12 | селитебная | Zn 21,0 - Cu 3,9 - Cd 2,4 - Pb 1,6 |
| 13 | селитебная | Zn 3,0 - Cu 2,7 - Pb 2,4 - Cd 1,8 |
| 14 | парковая | Zn 23,7 - Cu 9,2 - Pb 4,0 - Cd 2,6 - Cr 1,7 |
| 15 | лесная | Zn 3,5 - Cu 1,5 - Cd 1,5 |
| 16 | лесная | Pb 15,9 - Zn 4,3 - Cu 3,4 - Cd 1,6 |
| 17 | селитебная | Zn 10,3 - Cu 7,0 - Pb 2,9 - Cd 1,9 |
Примечание: полужирным шрифтом выделены элементы, концентрации которых превышают ОДК.
Обобщенные результаты исследования почв г. Ульяновска, занятых несанкционированными свалками ТБО, на содержание ТМ представлены в табл.5.
Таблица 5
Содержание ТМ в почвах г. Ульяновска, занятых несанкционированными свалками бытовых отходов
| Показатель | Валовое содержание, мг/кг | Подвижная форма, мг/кг | |||||||||
| Cr | Cu | Zn | Cd | Pb | Hg | Cr | Cu | Zn | Cd | Pb | |
| Среднее значение, мг/кг | 36,0 25,2 | 37,3 24,3 | 236,6 136,8 | 2,2 1,8 | 106,3 115,9 | 0,21 | 0,14 0,19 | 0,56 0,83 | 33,9 21,9 | 0,18 0,15 | 8,6 11,7 |
| Максимальное значение, мг/кг | 84,6 43,5 | 95,0 67,3 | 829,4 585,7 | 3,8 2,8 | 426,3 851,8 | 0,29 | 0,40 0,86 | 2,42 5,25 | 210,8 124,7 | 0,46 0,44 | 88,8 174,0 |
| ПДК (ОДК) для суглинистых почв, мг/кг | Не принята | 132 | 220 | 2,0 | 130 | 2,1 | 6,0 | 3,0 | 23 | 0,5 | 6,0 |
| Интервал превышений ПДК | - | Нет превышений | 1,1-3,8 0,6-2,7 | 1,1-1,9 0,9-1,4 | 0,8-3,3 0,9-6,6 | Нет превышений | Нет превышений | 0,2-0,8 0,3-1,8 | 1,5-9,2 1,0-5,4 | Нет превышений | 1,4-15 2,0-29 |
| Доля неудовле- творительных проб по ПДК, % | - | 0 | 35 20 | 50 40 | 15 12 | 0 | 0 | 0,0 8,3 | 38 24 | 0 | 19 16 |
| Фон, мг/кг | 27,1 26,4 | 10,7 8,2 | 37,2 38,1 | 1,2 1,2 | 48,2 48,4 | 0,27 | 0,05 0,04 | 0,10 0,06 | 1,76 0,76 | 0,10 0,08 | 0,77 0,53 |
| Интервал превышений фона | 1,3-3,1 1,0-1,6 | 3,5-8,9 3,0-8,2 | 6,4-20 3,6-15 | 1,8-3,2 1,5-2,3 | 2,2-8,8 2,4-18 | 0,8-1,1 | 2,8-8,0 4,8-22 | 5,6-24 14-88 | 19-120 29-164 | 1,8-4,6 1,9-5,5 | 11-115 22-328 |
| Доля неудовле- творительных проб по фону, % | 62 36 | 100 92 | 100 96 | 96 76 | 77 80 | 5 | 88 85 | 100 100 | 100 100 | 88 84 | 88 96 |
Примечания: 1) в числителе указаны значения для глубины 0…5 см, в знаменателе - для глубины 5…20 см; 2) содержание ртути определялось на глубине 0…20 см; 3) полужирным шрифтом выделены значения превышений ПДК (ОДК) и более чем 1,5-кратных превышений фона.
По данным табл.5 видно, что верхний горизонт городских почв на участках несанкционированных свалок ТБО представляет собой геохимически неоднородную, гетерогенную систему. Для выборки характерен очень широкий абсолютный разброс значений, коэффициент вариации для всех значений превышает 33%, то есть исследуемая статистическая совокупность является неоднородной, поскольку концентрации ТМ в верхнем горизонте городских почв на участках несанкционированных свалок существенно различаются даже в пределах единой части элементарного ландшафта (в идентичных условиях микрорельефа). Подобной геохимической спецификой характеризуются все техногенные отложения и почвы, содержащие искусственные включения (артефакты); при эколого-геохимических исследованиях таких объектов практически всегда отмечаются аномально высокие максимальные значения, большие дисперсии и невысокие средние значения показателей (Алексеенко и др., 2003; Галицкая и др., 2004; Лихачева и др., 1996). В данном случае оценку уровня загрязнения целесообразно проводить дифференцировано для каждого исследуемого участка (табл.4).
Так, если проводить сравнение с наименее нарушенными почвами г. Ульяновска, то практически все почвы под несанкционированными свалками загрязнены цинком и медью. Цинк образует наиболее контрастные аномалии, и в большинстве случаев валовое содержание данного металла превышает ОДК (220 мг/кг). Содержание валовой меди, несмотря на повсеместное превышение фона, не достигает ОДК (132 мг/кг). Так же в аномальных концентрациях, однако, не на всех свалках, накапливаются свинец, кадмий, хром. Валовое содержание кадмия в большинстве случаев превышает ОДК (2 мг/кг). В некоторых случаях ОДК превышена и для свинца (более 130 мг/кг). Интервал превышений ОДК составляет 1,1-3,8 для цинка, 1,1-1,9 для кадмия и 1,0-6,6 для свинца. Кроме перечисленных металлов, в образцах наиболее загрязненных участков исследовалось содержание общей ртути, однако превышений ПДК ни для одного из них не отмечено.
В процентном соотношении доля ТМ, привносимых несанкционированными свалками в городские почвы, представлена на рис.1.
 |  |
| Рис. 1. Валовое содержание ТМ в почвах г. Ульяновска,занятых несанкционированными свалками, с учетом местного геохимического фона | Рис. 2. Среднее содержание подвижных и прочно-сорбированных форм ТМ в почвах г. Ульяновска, занятых несанкционированными свалками |
| | |
5.5 Доля подвижных соединений ТМ и барьерная функция исследуемых почв
Практически все исследованные участки характеризуются повышенным по сравнению с фоном содержанием подвижных ТМ, однако превышения ПДК наблюдаются только по цинку (1-9 ПДК), свинцу (1,4-29 ПДК) и реже меди (1,8 ПДК). Превышения ПДК подвижных ТМ характерны не для всех, а лишь для наиболее загрязненных участков, на которых несанкционированные свалки существуют достаточно длительное время (десятилетия).
Доля подвижных ТМ от валовых в исследованных почвах составляет: хрома - от 0,1 до 1,2 %, меди - от 0,5 до 7,9 %, цинка - от 2,1 до 25,4 %, свинца - от 0,8 до 22,6 %, кадмия - от 1,4 до 20,3 %. Среднее соотношение извлекаемых ацетатно-аммонийным буфером (подвижных) и неизвлекаемых (прочно-сорбированных) форм ТМ в исследованных почвах, представлено на рис.2, на котором видно, что ряд подвижности ТМ в исследованных почвах выглядит следующим образом: