Определения, обозначения и сокращения 8
Введение 9
1 Обзор литературы 11
Тяжелые металлы 11
Формы нахождения тяжелых металлов в почве 12
Основные источники поступления тяжелых металлов в почвенный покров Арктики 13
Тяжелые металлы в почвенном покрове Арктики 15
2 Объекты и методы исследования 19
2.1. Особенности почв районов Арктики и субарктики 19
Характеристика объектов исследования 21
Инструментальные методы определения ТМ в природных объектах 24
Метод рентгенофлуоресцентной спектроскопии 25
Метод атомно-абсорбционной спектроскопии 27
Камеральные исследования 30
3 Экологический эксперимент 33
Задачи и объекты исследования 33
Результаты эксперимента и их обсуждение 33
Оценка уровня обеспеченности и/или степени загрязнения ТМ в почвах Арктики и субарктики 34
Валовое содержание тяжелых металлов 34
Содержание подвижных форм тяжелых металлов 40
Особенности аккумуляции и миграции ТМ в почвенном покрове Арктики
Условия, влияющие на закрепление и перераспределения ТМ в почвенном покрове Арктики 44
Заключение 48
Список используемых источников 51
ПРИЛОЖЕНИЕ А Схема отбора проб 57
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Распределение типов почв по территориям 58
ПРИЛОЖЕНИЕ В Физико-химические свойства почв Арктики и субарктики 59
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Валовое содержание и содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах Арктики и субарктики 65
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Коэффициент концентрации и суммарный показатель загрязнения в почве и растительном покрове Арктики и субарктики 77
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Оценка буферных свойств почв Арктики и субарктики 89
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Корреляционный анализ 92
ПРИЛОЖЕНИЕ И Статистическая обработка 93
Почвам арктических и приарктических территорий в последнее десятилетие уделяется особое внимание, учитывая крайнюю уязвимость окружающей природной среды, малую устойчивость экосистем, важную экономическую, социальную и экологическую роль. Нарушение и уничтожение естественных экосистем Арктики наносит серьезный ущерб не только всей экосистеме в целом, но и здоровью, как коренных жителей Севера, так и мигрантов. Нарушение хрупкой арктической природы может иметь необратимый характер. При этом исследованию почв уделяется особое внимание.
Экономика местных городов Севера направлена на использование возобновляемых ресурсов, таких как оленьи пастбища, области охоты и рыболовства и т.д. Однако основой экономического развития региона все более становится промышленное использование не возобновляемых ресурсов – нефти, газа, угля, строительных материалов, редких и драгоценных металлов и др. [8]. Поэтому Арктический регион, и особенно арктическая прибрежная зона, находится под все более возрастающим антропогенным воздействием как локальных, так и индустриальных центров, меняющихся путей переноса загрязняющих веществ воздушными массами, потоками воды и осадочного материала арктических рек [47]. Как правило, выбросы металлургических и теплоэнергетических производств сопровождаются эмиссией кислотообразующих веществ, которые распространяются на дальние расстояния и могут способствовать кислотному выщелачиванию лабильных элементов (в особенности алюминия, кадмия, цинка и других) из слагающих пород. Антропогенное воздействие приводит к деградации арктических земель, в силу низкого уровня массо- и энергообмена, простых пищевых цепей состоящих из небольшого количества звеньев, способствующих быстрому перемещению токсикантов к конечным потребителям. Природа Арктики чрезвычайно уязвима к действию загрязняющих веществ, что в перспективе может привести к необратимым экологическим процессам [8, 47].
Поэтому проблема оценки экологического состояния окружающей среды Арктики и защиты ее от загрязнений и других негативных воздействий становится приоритетной, по крайней мере, для всех стран, которые относятся к числу арктических.
В наше время загрязнение окружающей среды является одной из глобальных проблем человечества. Основными техногенными поллютантами выступают тяжелые металлы (ТМ). Почвы загрязнённые ТМ являются биогеохимическим барьером, который поглощает из атмосферы тонкодисперсные вещества и газы, очищая другие среды [42]. Тяжелые металлы легко адсорбируются слоями почвы, их соединения долгое время сохраняют токсичность и высокую подвижность. Накопление ТМ в почве происходит достаточно быстро, но они трудно и медленно удаляются из нее [33].
Все выше перечисленное свидетельствует об актуальности изучения обеспеченности ТМ в почвенном покрове Арктики и субарктики.
Целью данной выпускной квалификационной работы является исследование особенностей накопления тяжелых металлов почвами прибрежных территорий Белого и Баренцева морей.
Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:
- провести анализ литературных данных по теме исследования;
- дать характеристику объектов исследования (почвенного покрова) и осуществить отбор проб почв различных типов;
- подобрать и отработать методики количественного определения валового содержания ТМ в почве рентгенофлуоресцентным методом и содержания подвижных форм ТМ в почве атомно-абсорбционным методом, провести анализ отобранных образцов (почвенного покрова);
- оценить степень накопления/загрязнения ТМ в почвенном покрове и оценить особенности распределения (миграции) ТМ в почвенном профиле;
- выявить условия влияния агрохимических показателей (pH, гранулометрического состав, содержание органического вещества) на аккумуляцию ТМ в почвенном покрове.
В ходе написания данной выпускной квалификационной работы было проанализировано 48 литературных источников, рассмотрены основные вопросы: тяжелые металлы, формы нахождения тяжелых металлов в почве, основные источники поступления тяжелых металлов в почвенный покров Арктики, тяжелые металлы в почвенном покрове Арктики.
Анализ литературных данных показал, что в настоящее время арктические территории характеризуются повышенными концентрациями ТМ. Это обусловлено процессами почвообразования, которые происходят на почвах, относящихся к природным территориям.
При личном участии автора в совместной комплексной экспедиции «Арктический плавучий университет» в 2013, 2014 годах на НИС «Профессор Молчанов» был произведен отбор проб почв. Кроме того, для исследования использовались почвы, отобранные в ходе экспедиции 2012 и 2015 годов.
В работе дана характеристика пробных площадей Арктического региона, определены типы почв и степень техногенно-антропогенной нагрузки, наблюдаемой на этих территориях. Для каждого почвенного образца (187 проб) по общепринятым методикам был определен ряд физико-химических параметров: гранулометрический состав, рH водной вытяжки, содержание органического вещества, электропроводность. Определение ВС и содержания ПФ ТМ выполнено с привлечением оборудования ЦКП НО «Арктика» САФУ.
В ходе химического эксперимента была дана оценка степени накопления/загрязнения ТМ в почвенном покрове, выявлены особенности распределения и миграции ТМ в почвах Арктики и определены условия, влияющие на закрепление и перераспределение ТМ в почвенном покрове.
Установлено, что на кумуляцию ТМ влияют как техногенное воздействие, так и особенности почвообразовательных процессов. Большинство исследованных почв имеют допустимый уровень загрязнения ТМ, однако на отдельных территориях выявлено полиметаллическое загрязнение почв. Опасный уровень загрязнения имеют арктические почвы (п. Пирамида) и тундровые неглеевые почвы (м. Белый Нос).
Составлены ряды накопления, потенциальной доступности и миграции ТМ, которые выглядят следующим образом:
- Ряды накопления ТМ арктические почвы Pb>As>Co>Cu>Zn>V>Ni>Mn; тундровые неглеевые почвы – Co>Mn>Pb>Zn>As>Cu>V>Ni; тундровые глеевые почвы – Co>Cu>Mn>Zn>Pb>As>Ni>V; аллювиальные луговые кислые почвы – Pb>Zn>Co>Cu>V>Ni>Mn>As; подзолистые почвы – Co>Cu>Pb>Zn>Mn>Ni>As>V; торфяные болотные верховые почвы – Co>Cu>Pb>Zn>Ni>V>Mn>As.
- Ряды потенциальной доступности ТМ: арктические почвы Cu>Mn>Ni>Pb>Co>Zn; тундровые неглеевые почвы – Pb>Cu>Zn>Co>Mn>Ni; тундровые глеевые почвы – Cu>Mn>Pb>Zn>Ni>Co; подзолистые почвы – Mn>Cu>Zn>Pb>Ni>Co; торфяные болотные верховые почвы – Mn>Zn>Cu>Pb>Co>Ni.
- Ряды миграции ТМ в почвенном профиле: арктические почвы Cu>Ni>Zn>Mn>Co>Pb; тундровые неглеевые почвы – Cu> Ni>Pb>Co>Zn>Mn; тундровые глеевые почвы – Pb>Ni>Zn>Cu>Co>Mn; подзолистые почвы – Co>Ni>Cu>Mn>Zn>Pb; торфяные болотные верховые почвы – Ni>Pb>Cu>Co>Zn>Mn.
Выявлено, что содержание ТМ в почвах Арктики зависит от физико- химических показателей почв (pH, гранулометрический состав, содержание органического вещества) и от межэлементного влияния поллютантов друг на друга. При этом корреляционным анализом установлено, что основными причинами загрязнения почвенного покрова исследованных территорий являются не антропогенные факторы, а естественные процессы, происходящие в земной коре (процессы почвообразования, выветривание горных пород, движение тектонических плит и т.д.).
Основные положения квалификационной работы докладывались на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы биологической и химической экологии» 4-5 декабря 2014 г. Мытищи и Всероссийской конференции с международным участием «Комплексные научные исследования и сотрудничество в Арктике: взаимодействие вузов с академическими и отраслевыми научными организациями» 26-27 февраля 2015 г. Архангельск.
По материалам выпускной квалификационной работы опубликовано пять статей в изданиях, включенных в РИНЦ:
1. Попова Л.Ф., Химико-аналитическая оценка загрязнения нефтепродуктами и тяжелыми металлами почв Евроарктического региона / Л.Ф. Попова, Ю.И. Андреева, С.С. Попов // сборник материалов IV Международной научно- практической конференции 4-5 декабря 2014 года. – М.: ИИУ МГОУ, 2014. - 364 с.
2. Андреева Ю.И., Тяжелые металлы - потенциальные поллютанты почв Арктики / Ю.И. Андреева, Л.Ф. Попова, А.Г. Волков, М.В. Ларионова//Комплексные научные исследования и сотрудничество в Арктике: взаимодействие вузов с академическими и отраслевыми научными организациями. Материалы Всерос. Конф. с межд. участ. 26-27 февраля 2015. Архангельск: Изд. Дом САФУ, 2015. С. 20-23.
3. Андреева Ю.И., Особенности накопления тяжелых металлов почвами Субарктики и Арктики / Ю.И. Андреева, Л.Ф. Попова, А.Г. Волков, М.В. Ларионова // Заочные электронные конференции РАЕ, 2015. URL: http://econf.rae.ru/article/9249 (дата обращения: 19.05.2015).
4. Андреева Ю.И., Кумуляция тяжелых металлов в почвенном покрове Евроарктического региона // тезисы докладов ЛОМОНОСОВ-2017: XXIVмеждународная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Секция «Почвоведение»;10-14 апреля 2017 г., Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения. Сост. Л.А. Позднякова, - М.: МАКС Пресс, 2017.- 236 с.
5. Андреева Ю.И., Тяжелые металлы в почвенном покрове береговой линии островных и материковых арктических территорий / Ю.И. Андреева // материалы Международной молодежной конференции «Папанинские чтения» 28-30 марта 2017 г., из-во САФУ, 2017 (в печати).
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
