Геохимические условия распределения тяжелых металлов в наземных и аквальных ландшафтах

Зимовец, Алина Александровна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геохимические условия распределения тяжелых металлов в наземных и аквальных ландшафтах
ВАК РФ 25.00.23, Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Геохимические условия распределения тяжелых металлов в наземных и аквальных ландшафтах"

/К6

На правах рукописи

Зимовец Алина Александровна

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В НАЗЕМНЫХ И АКВАЛЬНЫХ ЛАНДШАФТАХ (НА ПРИМЕРЕ УСТЬЕВОЙ ОБЛАСТИ РЕКИ СЕВЕРНАЯ ДВИНА)

Специальность 25.00.23 -«физическая география и биогеография, география почв и геохимия

ландшафтов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

і Ь

Воронеж - 2013

005059119

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор

Федоров Юрий Александрович

Официальные оппоненты: Коробов Владимир Борисович

доктор географических наук; Северо-западное Отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН; директор

Яблонских Лидия Александровна

доктор биологических наук, профессор; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет»; профессор кафедры экологии и земельных ресурсов

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «СевероКавказский федеральный университет»

Защита состоится 24 мая 2013 года в 13-30 на заседании диссертационного совета Д 212.038.17 при Воронежском государственном университете по адресу: 394068 г. Воронеж, ул. Хользунова, 40, ауд. 303.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан « // » апреля 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор географических наук, профессор

Куролап С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Ландшафты Севера Европейской территории России (ЕТР) характеризуются повышенной уязвимостью к воздействию тяжелых металлов (ТМ), и слабой восстанавливаемостью, связанными с характерными для данного региона специфическими климатическими условиями, обуславливающими особенности протекания биогеохимических процессов в компонентах ландшафтов. Так в летний период в условиях высоких температур наблюдается активизация химических и биохимических процессов, в то время как в холодную часть года отмечается их замедление. В этих условиях ландшафту требуется больше времени для восстановления к исходному состоянию после прекращения или существенного ослабления антропогенного воздействия. Оно оказывает негативное воздействие на все компоненты водных и наземных ландшафтов, а также на сопряженные циклы различных ТМ, участвующих в круговороте вещества и энергии. На аккумуляцию, рассеивание и трансформацию форм миграции и нахождения ТМ в наземных и аквальных ландшафтах, а также на границах раздела сред большое влияние оказывают физико-химические факторы (температура, рН-ЕЬ, содержание и состав газов, химический состав и тип вод).

Несмотря на обширные исследования в этом районе уровней концентраций и распределения ТМ было выполнено относительно мало работ, направленных на познание закономерностей поведения ТМ с учетом значений водородного показателя и окислительно-восстановительных условий в воде, донных отложениях (ДО), почвах и атмосферных осадках, а также построение картосхем целого спектра концентраций ТМ и классификацию ландшафтов по типу преобладающих геохимических обстановок. Эти вопросы до настоящего времени остаются не в полной мере изученными, что делает обозначенную в диссертации проблему актуальной в научном и прикладном отношении. Поэтому именно на её решение и были направлены усилия автора.

Объекты исследования - наземные и аквальные ландшафты устьевых областей северных рек.

Предмет исследования - физико-химические условия, уровни концентраций и потоки ТМ в наземных и аквальных ландшафтах устьевой области р. Северная Двина.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в исследовании геохимических условий распределения ТМ в наземных и аквальных ландшафтах устьевой области р. Северная Двина.

В ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ ВХОДИЛО:

1. Выделение по типу преобладающих геохимических обстановок и уровню антропогенного воздействия в районе исследования основных типов элементарных аквальных ландшафтов.

2. Установление региональных закономерностей распределения основных физико-химических показателей в системах «атмосфера - вода», «вода — донные отложения» и «почвы - вода» в контексте их влияния на формы нахождения и миграции ТМ.

3. Построение диаграммы распределения в системе координат величин рН - ЕЬ исследуемых компонентов ландшафтов, выявление кластеров в общем массиве распределения этих показателей, расчет уравнений регрессии.

4. Определение уровней содержания приоритетных ТМ в атмосферных осадках (снег), поверхностных водах, донных отложениях и почвах территории устьевой области р. Северная Двина и создание базы данных.

5. Исследование распределения различных миграционных форм ТМ в компонентах ландшафтов в зависимости от величин основных физико-химических параметров.

6. Построение картосхем пространственного распределения концентраций ТМ в различных компонентах наземных и аквальных ландшафтов исследуемой области для оценки их загрязненности.

7. Выполнение оценки потоков ТМ в речную систему Северной Двины с атмосферными осадками и плоскостным смывом, расчет выноса ТМ с речными водами в Двинской залив Белого моря.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в следующем:

- Впервые для исследуемого района теоретически обоснована и разработана структура ландшафтов с последующим выделением основных типов элементарных аквальных ландшафтов на основе определённых физико-химических параметров, содержания ингредиентов и уровню антропогенного воздействия.

- Установлено, что величины основных физико-химических параметров исследуемых компонентов ландшафтов устьевой области Северной Двины при нанесении на диаграмму рН-ЕЬ группируются в четырех областях, для каждой из которых установлено и объяснено наличие зависимостей различного характера между этими показателями.

- Описан биогеохимический круговорот ТМ (на примере Н§) в зависимости от величин рН и ЕЬ в различных средах и на их границах и предложена его концептуальная модель.

- Проведена эколого-геохимическая оценка синхронного пространственного и радиального распределения приоритетных ТМ в компонентах наземных и аквальных ландшафтов района исследования.

- Создана база данных концентраций ТМ в атмосферных осадках, почвах, поверхностных водах и ДО и построены картосхемы пространственного распределения металлов.

- Рассчитаны потоки ТМ через атмосферный канал и с плоскостным смывом в устьевую область р. Северная Двина, а также вынос ТМ с речным стоком в Двинскую губу Белого моря.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫ Е ПОЛОЖЕНИЯ:

1. В устьевой области Северной Двины выделены типы элементарных аквальных ландшафтов. Установлена приуроченность более высоких концентраций валовых форм большинства тяжелых металлов к природным и антропогенным ландшафтам, где господствует сероводородная и глеево-сероводородная обстановки.

2. Для компонентов наземных и аквальных ландшафтов общей закономерностью являются относительно низкие величины физико-химических параметров, что связано с влиянием поступающих из торфяных болот вод. Установлена следующая тенденция изменения средних величин рН и ЕЬ: значения рН возрастают в ряду почва —> атмосферные осадки —> донные отложения —> речная вода, а ЕЬ - донные отложения —> речные воды —► почва —>атмосферные осадки.

3. В эколого-географическом аспекте распределение приоритетных тяжелых металлов в компонентах наземных и аквальных ландшафтов характеризуется следующими чертами: в атмосферных осадках максимальные концентрации Сс1 выявлены в районе г. Новодвинск, а РЬ, Сг и ^ приурочены к дельте реки; в поверхностных водах содержания Си, Сг и Хп превышают существующие ПДК; донные отложения на участке акватории порт Бакарица -г. Архангельск существенно обогащены металлами, дельта реки выделяется повышенными относительно условно фонового содержаниями по реке величинами РЬ; по суммарному показателю загрязнения почвы относятся к допустимой категории загрязнения тяжелыми металлами.

4. Определены геохимические ряды последовательности величин потоков тяжелых металлов, поступающих через атмосферный канал {Ъл > Сг > № > РЬ > Си > Сс! >1-^), с плоскостным смывом на почвенных частицах (Сг > Тп > N1 > Си > РЬ > Сс1 >Н§), в результате выноса растворенных форм металлов с речными водами в Двинской залив Белого моря (гп > № > Си > РЬ > Сг >С(1

>н8).

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. В

основу диссертационной работы положен оригинальный фактический и экспериментальный материал, полученный в результате ряда научно-исследовательских работ, проводимых автором совместно с сотрудниками кафедры Физической географии, экологии и охраны природы геолого-географического факультета Южного федерального университета (бывший РГУ). Экспедиционные наблюдения производились в теплый (весенне-летний) и холодный (осенне-зимний) сезоны с 2004 по 2009 гг. Отбор проб осуществлялся как в ходе морских экспедиций с борта научно-исследовательского судна «Айсберг-2», так и в наземных маршрутах в сотрудничестве со специалистами Северо-Двинской устьевой станции. Диссертантка принимала участие в полевых исследованиях, производила отбор проб и их подготовку к дальнейшему анализу, проводила работы по определению содержания растворенного в воде кислорода, рН и ЕЬ атмосферных осадков, почв, речных вод и ДО, выполняла сбор, обобщение и интерпретацию материалов, их математическую и картографическую обработку. В работе использованы результаты анализов 177 проб воды, атмосферных осадков, почв, ДО на содержание ТМ (Си, N1, РЬ, Сё, Сг, Тп и Н§) с общим объемом определений около 900.

ландшафтов Севера ЕТР, результаты исследования будут полезны и в прикладном отношении — при решении ряда вопросов связанных с возможностью безопасного использования вод для их потребления и рыбного хозяйства, оптимизации экологического и гидрохимического мониторинга и в качестве основы для оценки экологического состояния устьевой области Северной Двины. Результаты диссертационной работы используются при подготовке и чтении ряда курса лекций по предметам «Ландшафтоведение», «Общая гидрология», «Экология человека», «Экология Мирового океана», «Охрана природы» и др. в Южном федеральном университете и Филиале Российского гидрометеорологического университета в г. Ростове-на-Дону.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы были представлены на II-VI Международных научно-практических конференциях «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (Новороссийск, 2005-2008, 2010), XIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006» (Москва, 2006), V Всероссийской научно-практическая конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI в - будущее российской науки» (г. Ростов-на-Дону, 2007), Молодежной научной конференции «Экологические проблемы Севера» (г. Архангельск, 2008, 2011), IX Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2009), XVIII Международной научной конференции (Школы) по морской геологии (Москва, 2009, 2011), V международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые - наукам о Земле» (Москва, 2010), Международной конференции «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2010), 11th International Multidisciplinary Scientific GeoConference & EXPO «Modern Management of Mine Producing, Geology and Environmental Protection» (Albena, Bulgaria, 2011), Всероссийской научной конференции «Вода и водные ресурсы: системообразующие функции в природе и экономике» (Цимлянск, 2012).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликовано 20 работ, в том числе 2 статьи в научном журнале, рекомендуемом ВАК Российской Федерации.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, содержащего 216 наименований. Объем основного текста диссертации составляет 204 страниц, включая 21 рисунков и 15 таблиц.

БЛАГОДАРНОСТИ. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, проф., д.г.н. Фёдорову Ю.А. за внимание, ценные советы и помощь, оказанные при выполнении диссертационной работы. Неоценимую поддержку и содействие на всех стадиях работы оказала ст. преп., к.г.н. Овсепян А.Э., доц., к.г.н. Доценко И.В. и доц., к.г.н. Кузнецов А.Н., а также сотрудники кафедры Физической географии, экологии и охраны природы. Автор выражает благодарность коллективу Северо-Двинской устьевой станции во главе с начальником Шевченко Л.Б. и экипажу НИС «Айсберг-2» за сотрудничество и содействие в проведении экспедиций.

Работа по теме диссертации выполнялась при финансовой поддержке проектов РФФИ № 12-05-00420, грантов Министерства образования и науки РФ «Ведущие научные школы России» НШ-5658.2012.5 , гос. контрактов № 16.740.11.0054, П1102, 14.А18.21.0641, грантов Президента РФ МК-2100.2009.5, МК-1453.2011.5.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

Научный и практический интерес представляет проведение исследований для определения структурного разнообразия ландшафтов устьевой области р. Северная Двина, а также выявление особенностей накопления и перераспределения ТМ в различных компонентах ландшафтов. В качестве научной основы для проведения данной работы послужили труды ученых-ландшафтоведов и геохимиков (М.А. Глазовской, К.Н. Дьяконова, Н.С. Касимова, А.П. Лисицына, Ф.Н.Милькова, В.Б. Михно, А.И. Перельмана, В.Б. Полынова, Ю.А. Федорова, В.И.Федотова, А.Д. Хованского, В.А. Шальнева и др.).

Впервые для исследуемой области по типу преобладающих геохимических обстановок и уровню антропогенного воздействия выделено 7 типов элементарных аквальных ландшафтов, каждый из которых характеризовался определенными значениями рН, ЕЬ, содержанием СН4, Н28, Си и (Доценко, Федоров, Минкина, Зимовец и др.,2012). По генезису и особенностям формирования элементарные аквальные ландшафты разделены на природные, природно-антропогенные и антропогенные (техногенные) (ГОСТ 17.8.1.01-8). По величине значений ОВП и водородного показателя, содержания СН4 и суммарного Н28 доказано наличие следующих обстановок -кислородной, глеевой, сероводородной, кислородно-глеевой и глеево-сероводородной. Для элементарных аквальных ландшафтов выявлена тенденция к снижению значений ЕЬ (ОВП) и, менее контрастно рН, в придонных слоях воды и верхнем слое ДО в направлении кислородная —» глеевая —» сероводородная обстановка. Придонные слои воды характеризовались положительными значениями ЕЙ, но необходимо отметить, что они, как правило, были относительно невысоки для поверхностных водотоков. На границе раздела вода-ДО в большинстве случаев имело место снижение значений рН на первые десятые доли значений, в то время как величина ОВП обычно уменьшались достаточно резко, нередко до отрицательных величин. Наиболее высокие содержания как СН4, так и Н25 обнаружены в природно-антропогенном глеево-сероводородном на глинистых илах, техногенном кислородно-глеевом на илистых песках и техногенном глеево-сероводородном и сероводорном на глинистых илах типах элементарных аквальных ландшафтов. Наибольшие концентрации общего НгБ наблюдаются в типах элементарных аквальных ландшафтов, где преобладает

сероводородная обстановка. Содержание большинства ТМ в ДО

возрастает аналогичным образом. Все ТМ демонстрируют рост содержаний в природных ландшафтах с увеличением доли тонкодисперсной фракции илов и усилением антропогенного воздействия.

Исходя из сложившихся условий и процессов, происходящих в устьевой области р. Северная Двина, теоретически обоснован и экспериментально подтвержден, а также реализован подход к пространственному зонированию акватории по преобладающим формам нахождения Н§ в верхнем горизонте ДО (Федоров, Овсепян, Доценко, Зимовец, 2010). Показано, что наибольшего развития процессы метилирования достигают в тех элементарных аквальных ландшафтах, где ДО в основном представлены пелитовой фракцией и господствует анаэробная глеевая обстановка. В ландшафтах с сероводородной обстановкой, где активно протекают процессы сульфатредукции, идущие параллельно с процессами метилирования и подавляющие их, часть образующейся ^ связывается и затем депонируется в более глубоких слоях ДО в форме её сульфидов, а также в сорбированном виде на сульфидах железа, пелитовых частицах и гуминовых кислотах. Наибольшие темпы образования метилртути, при близких её валовых содержаниях в ДО, следует ожидать в аэробных и аэробно-анаэробных условиях (элементарные аквальные ландшафты с кислородной и кислородно-глеевой) и анаэробной (глеевой) обстановками.

2. Для компонентов наземных и аквальных ландшафтов общей закономерностью являются относительно низкие величины физико-химических параметров, что связано с влиянием поступающих из торфяных болот вод. Установлена следующая тенденция изменения средних величин рН и ЕЬ: значения рН возрастают в ряду почва —> атмосферные осадки —» донные отложения —> речная вода, а ЕЬ - донные отложения —» речные воды —> почва —► атмосферные осадки.

Значения рН и ЕЬ и их динамика в различных компонентах исследуемых ландшафтов оказывают существенное влияние на миграционные процессы и формы нахождения ТМ. Следует отметить, что большая часть устьевой области р. Северная Двина подвержена антропогенному влиянию, что приводит к возрастанию содержания ТМ во всех компонентах наземных и аквальных ландшафтов, и изменению природного круговорота их форм нахождения и миграции (Зимовец, 2005-2008, 2010; Зимовец и др., 2010, 2011; Кукина и др., 1999, 2001; Малов, 2000; Овсепян, Федоров, 2011; Федоров, Овсепян, Коробов, 2010; Пилюгина, 2007-2009; Попова и др., 2000, 2001; Цыганкова, 2005; Шевченко, Коробов, 2006; и др.). В ходе исследований выявлены существенные вариации величин рН-ЕЬ в изучаемых компонентах (табл. 1).

При этом величины рН и ЕЬ вод изменялись в широких пределах по стволу реки в зависимости от расстояния от морского края дельты, глубины, наличия прилива или отлива, а также времени года и степени загрязненности. Отдельные относительно низкие значения ОВП свидетельствовали о возможности возникновения зон гипоксии на границах раздела «вода-лед» в поверхностном и «вода-донные отложения» в придонном слое воды (Федоров и

др., 2003). Значения рН и ЕЬ почв и ДО зависели, главным образом, от литологического состава этих компонентов, глубины залегания, содержания ОВ, степени антропогенного воздействия и времени года. Соискателем выявлены следующие тенденции изменения средних величин рН и ЕЬ: значения рН возрастают в ряду почва —> атмосферные осадки —► донные отложения —► речная вода, а ЕЬ - донные отложения —> речные воды —> почва —> атмосферные осадки. Для значений ЕЬ характерны относительно низкие величины во всех компонентах ландшафтов (особенно, речных водах), что связано с влиянием растворов, поступающих из торфяных болот. Так, по экспериментальным данным (А.К. Лисицын, 1975), торф характеризуется высокой восстанавливающей способностью и может при равновесном состоянии с раствором, снизить его ОВП до - 200 мВ.

Таблица 1

Вариации значений рН и ЕЬ в различных компонентах ландшафтов _устьевой области Северной Двины_

Компоненты холодный период (данные автора) теплый период (Федоров и др., 2005,2006)

Атмосферные осадки (снег) 4.22-8.38 6,01 +6...+304 +138 - -

Вода поверхностный горизонт 6,06-7.87 6,77 -6...+472 +201 7.58-7.93 7,78 +78 ...+140 +108

придонный горизонт 6.55-7.55 7,02 +16...+449 +237 7.42-8.12 7,75 +60...+136 +106

Донные отложения поверхностный горизонт 6.35-7.68 7,26 -290...+17 -115 6.93-7.71 7,28 -23 ...+73 -12

подповерхностный горизонт 6.63-8.02 7,40 -275...+25 -164 6.58-7.17 6,97 -176 ...+5 -78

Почвы поверхностный горизонт - - 4.50-6.70 5,51 +45 ...+506 +232

подповерхностный горизонт - - 4.1-5.6 4,97 +16 ...+151 +87

В числителе указан интервал изменения концентраций, в знаменателе - среднее значение, «-» - показатель не определялся

Значения рН-ЕЬ компонентов окружающей среды были нанесены на диаграмму, где они расположились в четырех областях. В первой области оказались фигуративные точки значений рН-ЕЬ почвенного покрова исследуемого региона со значениями рН ниже 7,0 и ЕЬ в основном выше +150,0 мВ. Во второй области величины рН изменяются в интервале от 4,5 до 8,0 и ЕЬ от +50,0 до + 500,0 мВ и выше. Эта область частично перекрывает область I. Сюда входят снег и поверхностный слой речных вод. Расчет уравнений регрессий для кластера фигуративных точек области показал наличие прямой зависимости между значениями рН и ЕЬ. Третья область включает в себя придонный слой воды и ДО, характеризующиеся значениями рН от 6,5 до 8,0 и ЕЬ от -275 до + 70 мВ. Здесь отмечается обратная зависимость между значениями рН и ЕЬ. В каждой из этих областей можно выделить отдельные кластеры. Так, отчетливо проявляется группировка значений поверхностного слоя воды летнего периода, которые характеризуются более высокими значениями рН, чем зимой, что трактуется усилением активности

фотосинтезирующих организмов. Четвертая область представлена значениями рН и ЕЬ проб, отобранных в основном в летнее время из придонного слоя воды и ДО. Она располагается в виде кластера выше области III и может рассматриваться как продолжение группировки точек, отвечающих значениям физико-химических параметров проб воды, взятых также в летнее время. Оба этих кластера описываются прямо пропорциональной зависимостью, что свидетельствует об общности и направленности процессов, контролирующих значения рН и ЕЙ. Анализ нанесенных физико-химических параметров природных компонентов района исследования на диаграмму, выявил, что они в основном располагаются внутри областей нахождения соответствующих сред. Значения рН - ЕЬ заболоченных почв, как и поверхностный слой воды (лето) локализовались как ниже, так и выше линии «промежуточная среда», что согласуется с их статусом в качестве границ раздела и перманентной изменчивостью физико-химической обстановки.

В диссертационной работе рассмотрено влияние физико-химических условий на поведение 1-^. Установлено, что наибольшего развития процессы метилирования достигают в самом верхнем слое ДО и придонном слое воды, где наблюдается переход от окислительной обстановки к восстановительной. Поэтому, именно они является основным эмитентом самой токсичной формы нахождения Нечто подобное имеет место в болотистых почвах на границе раздела с атмосферой, где в метилировании наряду с микробным пулом бактерий участвуют некоторые разновидности грибов. Эмиссия метил- и демитилртути из воды и болотистых почв сопровождается их трансформацией в элементарную. Таким образом, осуществляется круговорот Н§. Часть Н§ выводится из этого цикла и депонируется в более глубоких слоях почв и ДО в сорбированном виде на пелитовых частицах и гуминовых кислотах, а также в форме сульфидов. Механическое воздействие или смена физико-химической обстановки может привести к её мобилизации из этих компонентов (Овсепян, Федоров, 2011; Федоров, Зимовец, Овсепян, Доценко, 2009, 2011).

3. В эколого-географическом аспекте распределение приоритетных тяжелых металлов в компонентах наземных и аквальных ландшафтов характеризуется следующими чертами: в атмосферных осадках максимальные концентрации Сс1 выявлены в районе г. Новодвинск, а РЬ, Сг и приурочены к дельте реки; в поверхностных водах содержания Си, Сг и Ъп превышают существующие ПДК; донные отложения на участке акватории порт Бакарица - г. Архангельск существенно обогащены металлами, дельта реки выделяется повышенными относительно условно фонового содержаниями по реке величинами РЬ; по суммарному показателю загрязнения почвы относятся к допустимой категории загрязнения тяжелыми металлами.

Диапазон изменения концентраций ТМ в атмосферных осадках (снеге) представлен в таблице 2. Пространственное распределение валовых форм ТМ характеризовалось неравномерностью (рис. 1, 2). На приустьевом участке наиболее низкие концентрации практически всех ТМ выявлены на ст. «р. Пинега», в связи с чем, ее можно считать фоновым участком для всей устьевой

области (рис. 1, 2). У ст. «д. Турдеево» (ниже сброса сточных вод АЦБК) отмечается повышение содержания Ъ\ (64,4 мкг/л) и Сг (36,6 мкг/л) в подповерхностном слое (10-22 см) снега, а также самое высокое содержание Сс1 (0,41 мкг/л, в 3,4 раз выше фона) и (0,044 мкг/л, в 6 раз выше фона) в верхнем горизонте (0-10 см) снежного покрова. Образование здесь области локального загрязнения, по- видимому, связано с ветровым переносом золы ТЭС АЦБК, золошлаки которой обогащены многими токсичными элементами и соединениями и легко переносятся на дальние расстояния (Шевченко, 2008). На ст. «Соломбала» наблюдается некоторое снижение концентраций практически для всех металлов (Си (9,4 мкг/л), Ъъ (4,2), РЬ (3,9), Сг (17,20) и Сс1 (0,18 мкг/л)), исключая N1 (18,0 мкг/л). Содержание Н§ на территории Архангельска значительно изменялось по всей площади города: от менее 0,01 до более 0,05 мкг/л. В дельте реки самым неблагоприятной с точки зрения повышенного содержания большинства ТМ в снеге является ситуация, сложившаяся на станциях в протоке Кузнечиха. Здесь высокие концентрации ТМ отмечены на станциях «ниже сброса сточных вод СЦБК и ТЭЦ» (Си (24,7 и 27,0 мкг/л), N1 (11,8), Ъп (115,2) и Сг (24,0) и «лесозавод № 29» (Сг (21,4) и Ъп (26,1 мкг/л)). Одним из наиболее загрязненных участков Северной Двины является ст. «р. Юрас», находящаяся под влиянием выбросов автотранспорта (недалеко расположено Талажское шоссе) и промышленных предприятий г. Архангельск (АТЭЦ, ТЭЦ СЦБК и др.). Здесь отмечаются высокие показатели содержания Ъх\ (58,4 мкг/л), № (8,6) и Сг (68,0), максимальная концентрация РЬ (118,9 мкг/л), что связано с выбросами Архангельской ТЭЦ. Районом с пониженным содержанием ТМ в снеге можно считать ст. «вершина Корабельного рукава», где содержание Си составила 6,1 мкг/л, РЬ - 4,8, Сг - 20,00 мкг/л, N1 и Сс1 - в следовых концентрациях. Также в верховьях рукавов дельты реки наблюдается снижение концентраций валовой формы до уровней 0,02-0,03 мкг/л.

Таблица 2

Вариации содержания различных форм тяжелых металлов в талом снеге

(составлено по данным автора)

Металлы валовая форма, мкг/л растворенная форма, мкг/л металл во взвеси, мкг/л

Си 3.3-27.0 14,9 2.4-14.0 8,3 2.2-17.4 8,5

Ъа 4.2-115.2 41,6 2.3-100.0 31,3 0.5-15.2 5,9

N1 5.0-18.0 9,9 5.1-7.9 6,0 0.7-12.2 4,4

РЬ 2.0-118.9 15,0 2.0-89.5 14,8 0.1-29.4 6,0

Сг 8.0-68.0 23,7 3.5-46.0 16,0 0.4-22.0 8,0

Сс1 0.12-0.41 0,16 0.12-0.12 0,12 0.0-0.06 0,01

Не 0.008-0.202 0,034 0.006- 0.031 0,013 0.001-0.187 0,021

В числителе указан интервал изменения концентраций металлов, в знаменателе - их среднее содержание.

39°50'в.д

м Коре лы

новодвинск!

10.0-20.0

20,0-30.0 30.0-50,0

более 50.0

39°5 0'в.(

РИКАСИХА-

|и«г/|п) менее 4.0

<0-8,0

8.0-12.0

Рис. 1. Картосхемы распределения валовых форм Си, Ъъ, N1, Сг, РЬ и С<1 в поверхностном горизонте снежного покрова (составлено автором)

Рис. 2. Картосхема распределения валовой формы в поверхностном горизонте снежного покрова (составлено автором) При изучении изменения концентраций ТМ в вертикальном профиле снежного покрова установлено, что здесь для большинства металлов характерно увеличение концентраций с глубиной. Исключение составляет распределение Сё в снежном покрове района д. Турдеево, где повышенное содержание металла в поверхностном слое снежного покрова связано с функционированием ТЭС АЦБК. Также выявлено, что с глубиной для N1 и Си наблюдается рост концентраций металлов во взвеси, а для остальных микроэлементов - в растворенной форме. Сравнительный анализ средних концентраций валовой Н§ в дождевых (0,02 мкг/л) (Овсепян, Федоров, 2011) и снеговых (0,033 мкг/л) осадках показал, что некоторое превышение концентраций ТМ в последних, что объясняется сезонным ходом содержания соединений серы и азота и связано как с- их дополнительной эмиссией при сжигании топлива в зимний период, так и низкой степенью вымывания этих соединений из атмосферы в холодное время года. Сопоставляя средние содержания ТМ в снеге с фоновыми значениями для снежного покрова Арктики и исследуемой области (р. Пинега) для большинства ТМ выявлено превышение этих показателей, но полученные концентрации в основном были значительно ниже данных, полученных для районов с высокой степенью загрязнения атмосферы. Исключение составляют РЬ, поступающий с выбросами таких мощных источников загрязняющих веществ, как предприятия теплоэнергетики и автотранспорт.

Содержание общих растворенных форм ТМ значительно варьировалось в водах устьевой области Северной Двины на всем протяжении ее течения (табл. 3, рис. 3).

Таблица 3

Вариации содержания различных форм тяжелых металлов в водах устьевой области Северной Двины (составлено по данным автора)

форма миграции металла металл поверхностный горизонт придонный горизонт

валовая, мкг/л Си 9.4-28.0 20,8 12.6-17.6 15,5

2п 12,6-258,0 44,5 8,8-184.0 70,4

т 4.0-41.2 12,6 5,2-19,0 13,6

РЬ 2,0-5.4 4,3 3.6-6.4 4,9

Сг 17,6-110,1 51,5 19.8-39.6 29,4

Сс1 0,1-0,38 0,15 0.1-0.3 0,2

растворенная, мкг/л Си 4.4-10.5 19,8 4.6-16,0 10,5

г« 2,0-61.6 12,3 4,0-174,0 61,6

т 4.0-7.2 4,3 4.0-4.0 4,0

РЬ 2,0-4,2 3,0 2.4-5.6 3,6

Сг 2,8-62.1 21,8 2,6-18.8 12,2

С<1 0,1-0,1 0,1 0.1-0.1 0,1

В числителе указан интервал изменения концентраций, в знаменателе — среднее значение

Содержание общей растворенной формы Си в поверхностном слое изменялось от 4,4 до 19,8 мкг/л, при этом на всем протяжении реки содержание металла превышало рыбохозяйственную предельно-допустимую концентрацию (ПДКр/х) в 4-20 раз. Минимальные величины содержания металла обнаружены в поверхностном слое речных вод (4,4 мкг/л) на станции в районе г. Новодвинска. В дельте реки разброс концентраций Си был достаточно велик -от 8,2 мкг/л до 19,8 мкг/л, при этом максимальное значение было обнаружено на ст. «прот. Кузнечиха, ниже ЦБК, ТЭЦ и СДК», где до 76% Си находится в растворенной форме, что, возможно, связано с деятельностью и непосредственно со сбросами предприятий, расположенных по берегам протоки Кузнечиха. На ряде станций концентрации № не превысили 4,0 мкг/л, лишь на ст. «р. Соломбалка» содержание данного металла составило 7,2 мкг/л, что существенно ниже ПДКр/х. Стоит отметить, что в ранних исследованиях (Овсепян, Федоров, 2011), этот водоток признан наиболее загрязненным водным объектом на территории г. Архангельск. Как установлено ранее (Зимовец, 2006), Ъх\ является одним из характерных загрязняющих веществ для исследуемого водотока. Его содержание в воде изменялось от 2,0 до 174,0 мкг/л. Минимальные концентрации Ъп обнаружены у ст. «Соломбала» (2,0 мкг/л). В дельте реки существенное повышение содержания отмечено на ст.

«Кузнечиха, л/з № 29 как в поверхностном (61,6 мкг/л), так и придонном (174 мкг/л) горизонтах, что превысило ПДКр/х в 6-17 раз. Величины концентраций РЬ изменялись от 2,0 мкг/л до 4,2 мкг/л, что было существенно ниже ПДКр/х (20 мкг/л). Стоит отметить, что такие низкие концентрации ТМ в воде связаны с тем, что в зимний период, когда водоток находится под ледовым покровом, исключено поступление металлов с атмосферными выпадениями и плоскостным смывом. При исследовании содержания Сг в воде, установлено, что диапазон колебаний его концентраций имеет широкий размах и изменяется от 2,8 до 62,1 мкг/л. Минимальные содержания Сг были обнаружены в вершине приустьевого участка на ст. «р. Пинега» (3,0 мкг/л) и ст. «с. Усть-Пинега» (2,8 мкг/л) (рис. 3). Наиболее высокие содержания обнаружены в дельте Северной Двины в прот. Кузнечиха (46-58,8 мкг/л) и на ст. «Вершина Корабельного рукава» (62,1 мкг/л), что превысило ПДКр/х в 2-3 раза. На данной станции металл в основном мигрирует в растворенной форме (87%). В придонном слое воды колебания концентраций металла были менее значительными - 2,6-18,8

Ъп, РЬ и Сг в поверхностном горизонте вод устьевой области Северной Двины

(составлено автором)

Средние содержания и пределы колебания концентраций ТМ в ДО устьевой области р. Северная Двина представлены в таблице 4.

Таблица 4

Вариации содержаний валовых форм тяжелых металлов в донных отложениях устьевой области Северной Двины (составлено по данным автора)

Металл поверхностный горизонт придонный горизонт

N1 10,0-47.0 22,9 25.0-51.0 38,4

Си 20.8-56.0 36,6 12.0-34.0 21,8

РЬ 6.7-13.3 9,2 8.0-16.0 10,3

гп 1.2-20.0 8,4 1.5-16.0 4,69

Сй 0.25-5.0 1,55 0.3-2.0 1,15

Сг 4.6-7.2 5,95 5.5-7.8 6,6

В числителе указан интервал изменения концентраций, в знаменателе — среднее значение

Следует отметить, что полученные результаты в целом близки с данными других авторов (Кукина и др., 1999-2002; Малов, 2000; Морозов и др., 1974). Концентрации ряда ТМ в ДО значительно изменялись как по стволу реки, так и с ее глубиной. В верховьях устьевой области (ст. «с. Усть-Пинега» и ст. «р. Пинега») на значительном удалении от крупных городов содержания ряда ТМ колебались в достаточно низких пределах (рис. 4). Данный участок реки можно считать фоновым для устьевой области. Далее вниз по течению концентрации ряда ТМ возрастают (рис. 4). Наиболее загрязненным районом на приустьевом участке является отрезок реки между станциями «порт Бакарица» и «Вершина дельты». Так содержание Си на ст. «порт Бакарица» достигает наибольшей для всей исследуемой области величины - 54,0 мкг/г с.м. Стоит отметить, что в летний период концентрация металла здесь увеличивается до 90,0 мкг/г с.м. На следующей ст. «Вершина дельты» выявлено максимальное содержание № (56,0 мкг/г с.м.) и Сс1 (5,0), повышенные концентрации Си (47,0), РЬ (12,0) и Сг (7,2 мкг/г с.м.). Формирование этого локального загрязнения, скорее всего, связано с выбросами железнодорожного и автотранспорта, а также ряда предприятий г. Архангельск. У ст. «Соломбала» наблюдается снижение содержаний практически всех ТМ. В рр. Юрас и Соломбалка также обнаружены относительно высокие концентрации некоторых ТМ. В р. Соломбалка на станции, расположенной на пересечении улицы Краснофлотскаяи проспекта Никольский, отмечается повышенное содержание N1 в поверхностном (48,5 мкг/г с.м.) и максимальное в подповерхностном (66,0 мкг/г с.м.) горизонте. Стоит отметить, что обе реки являются мелководными водотоками с низкими скоростями течения, пересекающими г. Архангельск и собирающими бытовые и ливневые стоки. Особый интерес представляет р. Юрас, на левом берегу которой располагается предприятия ЗАО «Архангельская нефтебаза» и ООО «Архангельский мусороперерабатывающий комбинат» с прилегающей к нему

свалкой твердых бытовых отходов. Немалое значение имеют выбросы Архангельской ТЭЦ и автономных ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2 Соломбальского ЦБК, реку пересекает крупная автомагистраль - Талажское шоссе. Так содержание РЬ в ДО варьировалось от 9,3 до 10,5 мкг/г с.м. Стоит отметить, что у правого берега реки концентрации ТМ были выше, чем у левого, что представляет особый интерес для дальнейшего исследования. Высокие концентрации С<1 (4,1 мкг/г с.м.) и Ъл (20,0 мкг/г с.м.) определены в ДО протоки Маймакса на ст. «Лесозавод № 24». Следуя по протоке Маймакса по направлению к устьевому взморью, определена тенденция к увеличению концентраций от ст. «порт Экономия» до ст. «о. Мудьюгский». Ранее (Овсепян, Федоров, 2011) было доказано, что о. Мудьюгский является барьером на пути речных вод, где происходит осаждение тонкодисперсного взвешенного вещества и обогащение ДО ТМ. Другим водотоком, испытывающим высокую антропогенную нагрузку, является протока Кузнечиха, на левом берегу которой стоит СЦБК, а на противоположном берегу - Архангельская ТЭЦ. Здесь у ст. «прот. Кузнечиха, ниже сброса СЦБК, ТЭЦ и СДК» обнаружено максимальное для всего района исследования содержание РЬ (в среднем - 12,0 мкг/г с.м., в теплый период -19,0), повышенные концентрации Сс1 (4,7) и Сг (7,9 мкг/г с.м.). О существенном вкладе теплоэнергетики в обогащение компонентов ландшафта района исследования РЬ, Сг и Сс1 говорят выявленные высокие концентрации ТМ в снежном покрове на данном участке реки (рис. 1, 2). Также на этой станции и ниже по течению в районе лесозавода № 29, обнаружено максимальное для всей реки содержание Тп (24,0 мкг/г с.м.) в ДО. Стоит отметить, что на ст. «протока Кузнечиха, лесозавод № 29», по содержанию Тх\ в воде установлено превышение ПДК в 6-17 раз. В дельте реки наиболее благоприятная экологическая обстановка сложилась в Никольском рукаве, где концентрации ТМ были близки к фоновым. Рукава Мурманский и Корабельный в большей степени испытывают воздействие со стороны предприятий и транспорта г. Архангельск. Этому способствует и преобладающие здесь направления ветров. Для обоих рукавов характерно повышенные концентрации в ДО РЬ (9,6-10,0 мкг/г с.м.), для Мурманского - Си (34,0) и максимально высокое для района исследования содержание Сг (8,4), для Корабельного - N1 (46,0), Сс1 (1,0) и Ъп (15,0 мкг/г с.м.).

Дифференциация концентраций ТМ в вертикальном профиле ДО исследуемой области отличается большим разнообразием. Так в районах с невысоким содержанием металлов их вертикальное распределение достаточно однородно или характеризуется снижением концентраций с глубиной. На участках реки с повышенной антропогенной нагрузкой важную роль в распределении ТМ по глубине колонки играет удаленность от источника загрязнения. Так в районах, подверженных постоянному антропогенному воздействию (порт «Бакарица», прот Маймакса (л/з № 29) и прав, берега прот. Кузнечиха), высокие концентрации некоторых металлов наблюдаются в поверхностном горизонте. Для более удаленных от непосредственного источника загрязнения пунктов наблюдений (прот. Маймакса (порт «Экономия») и лев. берег прот. Кузнечиха), повышенные

?"с„

■Ж

Д--

Ч * / 2-

п 16101

V-

й»/ "К?

1>У

г *«

К '"/..

к,

ЮВ) " ........у

.Х..,1 « 5 /в™

И"- У М

I \

_ 1

->А°

:рф А #¿1 ¿V» !

:.......- и

V ■ 1

64° »¿ии

25'

4 0*05'в.д. .■И- 42°Ше.д.

И - ...;■ -V

СШ

I..* —VI

4.x

&. 22

Ю«12'в.о г

№ % >

У' 1111»,, %

,1 •

Рис. 4. Картосхемы распределения валовых форм N4, Си, РЬ, Сг, С<1 и 7л\ в поверхностном горизонте донных отложений устьевой области Северной Двины (составлено автором)

концентрации отмечаются в подповерхностном горизонте. По-видимому, это связано с постоянно происходящим очищением верхнего слоя ДО водами реки, когда часть ТМ из верхних горизонтов выносится в водную толщу. При этом стоит отметить, что особый интерес для исследования представляет горизонт 0-3 см, который является наиболее деятельным для различных геохимических процессов.

Поскольку в настоящее время в России не существует утвержденных ПДК по содержанию ТМ в ДО, автором при проведении оценки степени загрязненности данного компонента аквального ландшафта использовались рекомендуемые американскими экспертами безопасные уровни содержания ТМ (МасОопаИ е! а1., 2000). Для большинства элементов выявленные концентрации не превысили уровней вредного воздействия. При сопоставлении средних значений концентраций ТМ, полученных для ДО устьевой области реки Северная Двина, с их содержанием в осадочных породах (глинах (Виноградов, 1962), песках (Беус и др., 1976)), почвах (Зимовец и др., 2010) исследуемого региона и уровнями концентраций ТМ в ДО других рек бассейнов Белого и Баренцева морей (Даувальтер, 1997; Демина и др., 2005; Кукина и др., 1999, 2002) хронического загрязнения также обнаружено не было.

Исходя из особенностей формирования и морфологического строения профиля, в пределах изучаемой территории были выделены следующие группы почв: естественные (условно-ненарушенные), прнродно-техногенные (поверхностно-преобразованные или урбопочвы) и антропогенно-глубокопре образованные (собственно убраноземы) (по классификациям Афанасьеву и др., 1979; Кавериной, 2007; Строгановой, Агаркову, 1992). В ходе анализа всего массива полученных данных по содержанию Си, N1, РЬ, Ъп, Сс1 и Сг были установлены значимые вариации концентраций ТМ в почвенном покрове района исследований. Однако в отобранных образцах для ряда металлов их содержание не превысило ПДК/ОДК (Си (55 мкг/г), N1 (85), РЬ (32), 2п (100 мкг/г)) (рис. 5). Обратная картина наблюдается для Сс1 (0,5 мкг/г) и Сг (100 мкг/г), для которых отмечается небольшое превышение нормативов в 42 % и 33 % случаях соответственно. Наши данные согласуются с ранее полученными результатами (Попова и др., 2000, 2001).

Средние величины полученных концентраций для большинства металлов были существенно выше, чем фоновые значения по Архангельской области (Си (6,33 мкг/г), № (10,67), РЬ (5,87), Ъъ (27,32) и С(1 (0,1 мкг/г) (Проблемы экологии ..., 2002). Это указывает на антропогенное воздействие на почвы селитебной и промышленной зоны. Минимальные уровни содержания для большинства исследуемых ТМ выявлены на ст. «р. Пинега». Данный участок можно принять за местный фоновый уровень, почвы которого относятся к группе естественных. Максимальные концентрации практически всех изучаемых металлов (№ (58 мкг/г, превышение фонового значения в 1,4 раз), РЬ (25,0, в 2,2 раза), Ъъ (61,0 мкг/г, в 1,4 раза) и Бе (38,0 мг/г, превышение фона в 1,6 раз)) обнаружены в урбопочвах Новодвинска, что, скорее всего, связано с влиянием промышленности и автотранспорта города. Высокие содержания Си (33,0 мкг/г, превышение фона в 1,5 раза) обнаружены в урбаноземах ст.

«Соломбала», Сс1 (0,69 мкг/г, превышение фона в 1,1 раза) и Сг (214,4 мкг/г, превышение фона в 1,4 раза) - в урбопочвах в районе с. Усть-Пинега, где сложившаяся ситуация, скорее всего, связана с длительным использованием печного отопления.

800700 600 и 500 ^ 400

300 - ■■ ! I » Э0+Ж4.» I я." 5

! " 3

200 - ;.,, ">-3! 20..........| Ч.0-

100-- .'¿Ь. ! 100__о

ива.а

4Гв

' 'т.- 179.5]

91.6 > 89"*" 4

60- -50-40- -| 30-20—

РЬ

Максимум Минимум

-21.3Среднее значение — 19 Медиана

усредненные

поверхностный гори юн г подповерхностный горизонт

Рис. 5. Пределы изменения концентраций валовых форм тяжелых металлов в почвах (составлено по данным автора) В ходе анализа миграции ТМ по почвенному профилю выявлено, что в аллювиальных почвах наблюдается равномерно-элювиальное внутрипрофильное распределение большинства ТМ с накоплением в нижней, оглеенной части профиля. Для подзолов характерна элювиальная и элювиально-иллювиальная дифференциация ТМ (в особенности Си и РЬ), что связано с накоплением их преимущественно в иллювиальном горизонте в составе органоминеральных комплексов и оксидов Бе и Мп. В урбаноземах повышенные концентрации некоторых элементов (Си, № и РЬ) обнаружены в верхней гумусовой части профиля.

По данным корреляционного анализа установлено, что важную роль в распределении и поведении ТМ в почвах играют оксиды и гидроксиды Бе, особенно для 7.п (^=0,64) и N1 (^=0,56). Немаловажно влияние Со (г^ =0,50-0,85). Между некоторыми ТМ прослеживается высокая корреляция, что свидетельствует о влиянии одинаковых факторов на поведение металлов и возможности их взаимозависимости в данных условиях.

С целью определения потенциального уровня загрязнения почв исследуемой территории была использована величина суммарного показателя загрязнения изменяющаяся от 1,9 (условно-ненарушенные и природно-техногенные почвы) до 4,5 (урбопочвы), что соответствует допустимой категории загрязнения почв.

4. Определены геохимические ряды

последовательности величин потоков тяжелых металлов, поступающих через атмосферный канал (Хп > Сг > N1 > РЬ > Си > Сс1 >Щ), с плоскостным смывом на почвенных частицах (Сг > Ъп > № > Си > РЬ > Сс! >1^), в результате выноса растворенных форм металлов с речными водами в Двинской залив Белого моря (Хп > N1 > Си > РЬ > Сг >С(1 >Щ).

Взаимодействие различных компонентов ландшафтов осуществляется непосредственно через потоки вещества. При этом бассейны рек представляют собой закономерно сочетающиеся элементарные ландшафты, являющиеся геохимической ареной формирования концентраций и потоков ТМ. В связи с этим автором была произведена количественная оценка объемов поступления ТМ в реку через атмосферный канал, с плоскостным стоком, а также вынос различных миграционных форм ТМ в Двинский залив (Реёогоу, г1пюуес, 2011).

Атмосферные выпадения являются существенным источником поступления ТМ в наземные и аквальные ландшафты, особенно для северных районов в холодный сезон. Для исследуемой области отмечается уменьшение объемов поступления валовых и растворенных форм металлов со снеговыми осадками следующим образом: Тп > Сг > N1 > РЬ > Си > Сс1 >Н§. Данное распределение несколько отличается от последовательности, иллюстрирующего уменьшение объемов массопереноса приоритетных ТМ на взвесях с плоскостным смывом (Сг > Тп > N1 > Си > РЬ > Сс1 Произведенная оценка выноса различных миграционных форм ТМ как для условно замыкающего створа, так и отдельно для каждого рукава и протоки, непосредственно впадающих в Двинский залив, показала, что наибольший сток для ряда металлов характерны для ст. «Вершина дельты». Далее наблюдается существенное снижение полученных величин при прохождении водного потока по протокам и рукавам дельты реки в Двинской залив. Как показано в работе (Федоров, Зимовец и др., 2011) на примере это связано с тем, что значительные объемы взвешенных форм ТМ вод, проходя через дельту реки, выводятся в ДО на каскаде механических барьеров. При построении ряда последовательности величин объемов выноса растворенных форм ТМ была получена следующая картина: Ъп > N1 > Си > РЬ > Сг >С<1

ВЫВОДЫ

1. По типу преобладающих геохимических обстановок и уровню антропогенного воздействия в районе исследования выделено 7 типов аквальных элементарных ландшафтов, каждый из которых характеризовался определенными значениями рН, ЕЬ, содержанием СН4, Н2Б, ОВ и ТМ. Наиболее высокие концентрации валовых форм ТМ обнаруживаются в природных и антропогенных ландшафтах, где господствует сероводородная и глеево-сероводородная обстановки.

2. Компоненты исследуемых ландшафтов характеризуются следующими показателями: атмосферные осадки относятся к группе слабокислых вод, а величины ЕЙ в основном выше +150 мВ, почвы имеют реакцию среды от кислой до слабокислой, а значения ЕЬ изменяются от +16 до +506 мВ, для речных вод реакция среды изменяется от слабокислой до

слабощелочной и величины ОВП варьируются от +60 до +472 мВ, величина водородного показателя ДО изменяются в пределах 6,35-8,02, а значения ЕЬ - от -290 до +73 мВ.

3. Фигуративные точки величин рН и ЕЬ различных компонентов наземных и аквальных ландшафтов на диаграмме рН-ЕЬ в основном группируются в четырех областях, для каждой из которых рассчитаны уравнения регрессий. Установлено наличие зависимостей различного характера между значениями рН и ЕЬ для выделенных областей, что объясняется специфическими условиями каждого из компонентов, характером и направленностью протекающих в них под влиянием природных и антропогенных факторов физико-химических и биологических процессов.

4. Распределение содержания ТМ в атмосферных осадках (снег) определяется спецификой расположения промышленных объектов и особенностями воздушной циркуляции, обуславливающих существование отдельных локальных районов повышенных концентраций. Так максимальные содержания всех форм С<1 выявлены в районе г. Новодвинска, экстремально высокие концентрации РЬ, Сг и обнаружены в дельте реки. Относительно низкие концентрации всех ТМ отмечены для атмосферных осадков на приустьевом участке реки и на территории музея-заповедника «Малые Корелы».

5. Концентрации растворенных форм практически всех ТМ, исключая Сс1 и N1, в речной воде характеризовались значительной пространственной изменчивостью. При этом превышение ПДК отмечались для Си на всем протяжении реки в 4-20 раз, для Сг в протоках и рукавах дельты Северной Двины (в 2-3 раза), а для Zn у крупных предприятий деревообрабатывающей промышленности (6-17 раз).

6. При исследовании ДО хронического загрязнения тяжелыми металлами данного компонента аквального ландшафта выявлено не было. Появление экстремально высоких величин содержания ТМ в ДО обусловлено влиянием локальных источников загрязнения. Так, обогащенные металлами (N1, Сё и Си) ДО приурочены к акватории порта Бакарица и ж/д моста, дельта реки выделяется высокими концентрациями РЬ.

7. В исследуемом районе обнаружены значимые вариации концентраций ТМ в почвенном покрове района исследований, однако в отобранных образцах для ряда элементов их содержание не превысило существующих нормативов. Также выявлены следующие типы внутрипрофильного распределения ТМ в почвах: эллювиальный - Сё (все исследуемые почвы), Ре и Сг (аллювиальные почвы), Тп (подзолистые почвы); элювиально-иллювиальный - РЬ, Мп, N1 (аллювиальные почвы), Мп (подзолистые почвы); аккумулятивно-элювиально-иллювиальный - РЬ и Си (подзолистые) почвы.

8. Исследуемые элементы по уменьшению объемов массопереноса в различных компонентах ландшафтов изучаемого района располагаются следующим образом: Сг > Тп > N1 > Си > РЬ > С<1 (почвенный покров), Ъа.

> Cr > Ni > Pb > Си > Cd >Hg (атмосферные осадки) и Zn > Ni > Си

> Pb > Cr >Cd (речные воды).

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ РАБОТ

1. Федоров Ю.А. Комплексная эколого-геохимическая экспедиция в устьевой области Северной Двины в весенне-зимний сезон 2008 г. / Ю.А. Федоров, А.Э. Овсепян, A.A. Зимовец, М.И. Хромов II Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. Естественные науки. - 2009. - №1. - С. 110-114.

2. Федоров Ю.А. Физико-химические условия в устьевой области Северной Двины и их влияние на формы нахождения и миграции ртути / Ю.А. Федоров, A.A. Зимовец, А.Э. Овсепян, И.В. Доценко II Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. - 2011. - №2. - С. 86-89.

3. Зимовец A.A. Основные закономерности распределения тяжелых металлов на устьевом участке р. Северная Двина в 2002-2003 гг. / A.A. Зимовец // Сборник трудов II научно-практической конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее». -Ростов-на-Дону: ЗАО «Ростиздат», 2005. - С. 48-51.

4. Зимовец A.A. Особенности распространения тяжелых металлов на устьевом участке р. Северная Двина / A.A. Зимовец // Сборник тезисов докладов по материалам XIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006»: Секция География. - Москва: Географический факультет, 2006. - С. 76.

5. Зимовец A.A. Особенности распространения тяжелых металлов на устьевом участке р. Северная Двина / A.A. Зимовец // Сборник трудов III научно-практической конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее». - Ростов-на-Дону: ЗАО «Ростиздат», 2006. - С. 100-104.

6. Зимовец A.A. Эколого-географические особенности распространения тяжелых металлов в воде устьевой области р. Северная Двина / A.A. Зимовец // Сборник материалов докладов V всероссийской научно-практическая конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI в - будущее российской науки». -Ростов-на-Дону: Изд-во ЦВВР, 2007. - Т. I. - С. 33-35.

7. Зимовец A.A. Изученность гидрохимического состояния вод устьевой области р. Северная Двина и прилегающей акватории Белого моря / A.A. Зимовец // Сборник трудов IV научно-практической конференции с международным участием «Экологические проблемы. Взгляд в будущее». - Ростов-на-Дону: ЗАО «Ростиздат»,

2007.-С. 150-157.

8. Зимовец A.A. Тяжелые металлы в донных осадках устьевой области Северной Двины / A.A. Зимовец // Материалы докладов Молодежной научной конференции «Экологические проблемы Севера». - Архангельск, 2008. - С. 42-44.

9. Федоров Ю.А. Особенности распределения тяжелых металлов в снежном покрове на территории устьевой области Северной Двины / Ю.А. Федоров, A.A. Зимовец // Сборник трудов V Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее». - Ростов-на-Дону: ЗАО «Ростиздат»,

2008.-С. 457-461.

10. Федоров Ю.А. Физико-химическая обстановка в системе «вода-почвы-донные отложения» Севера ЕТР / Ю.А. Федоров, A.A. Зимовец, И.В. Доценко, А.Э. Овсепян // Сборник трудов IX Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле». - Москва, 2009. - Т. III. - С. 64.

11. Федоров Ю.А. Физико-химическая обстановка как один из факторов, оказывающих влияние на формы нахождения ртути в окружающей среде бассейна р. Северная Двина / Ю.А. Федоров, A.A. Зимовец, А.Э. Овсепян, И.В. Доценко // Материалы XVIII Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. — Москва: ГЕОС, 2009. - Т. IV. - С. 306-311.

12. Зимовец АЛ. Ртуть в атмосферных осадках (на примере устьевой области Северной Двины) / АЛ. Зимовец, А.Э. Овсепян // Материалы V Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые - наукам о Земле». - Москва, 2010. - С. 279.

13. Овсепян А.Э. Содержание ртути в снеговых осадках устьевой области реки Северная Двина / А.Э. Овсепян, А.А. Зимовец II Сборник трудов VI Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее». -Ростов-на-Дону: ЗАО «Ростиздат», 2010. - С. 292-296.

14. Зимовец АЛ. Почвы и их роль в поставке тяжелых металлов в водоемы Севера ЕТР (на примере водосборной площади устьевой области р. Северная Двина) / АЛ. Зимовец, Р.Р. Джансузян И Сборник трудов VI Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее». - Ростов-на-Дону: ЗАО «Ростиздат», 2010. - С. 129-132.

15. Федоров Ю.А. Зонирование акватории водных объектов по потенциальной способности донных отложений к эмиссии ртути и формам ее нахождения (на примере р. Северная Двина) / Ю.А. Федоров, А.Э. Овсепян, И.В. Доценко, АЛ. Зимовец II Ртуть в биосфере: эколого-геохимические аспекты. Материалы Международного симпозиума (Москва, 7-9 сентября 2010 г.). - Москва: ГЕОХИ РАН, 2010. - С. 241-246.

16. Зимовец АЛ. Некоторые особенности распределения тяжелых металлов в почвах Севера Европейской территории России (на примере почв Архангельской области) 7 АЛ. Зимовец II Материалы Международной конференции «Антропогенная трансформация природной среды». Пермь: ПТУ, 2010. - Т. I - С. 303-308.

17. Зимовец АЛ. Почвы как источник поступления тяжелых металлов в реку Северная Двина Белого моря / АЛ. Зимовец, Ю.А. Федоров II Материалы докладов IV Международной молодежной научной конференции «Экология-2011». - Архангельск, 2011.-С. 229-230.

18. Fedorov Yu. A. About the principal sources of heavy metáis in the Northern Dvina River Estuary / Yu.A. Fedorov, A.A. Zimovec И llth International Multidisciplinary Scientific GeoConference & EXPO «Modern Management of Mine Producing, Geology and Environmental Protection». - Albena, Bulgaria, 2011. -P. 171-174.

19. Федоров Ю.А. Содержание ртути в снеговых осадках устьевой области реки Северная Двина / Ю.А. Федоров, А.Э. Овсепян, АЛ. Зимовец II Материалы XIX Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. - Москва: ГЕОС, 2011.-Т. IV.-С. 288-291.

20. Доценко И.В. Характеристика аквальных элементарных ландшафтов и поведение тяжелых металлов на границе раздела сред в устьевых областях рек / И.В. Доценко, Ю.А. Федоров, Т.М. Минкина, АЛ. Зимовец, А.Э. Овсепян, А.В. Михайленко II Сборник научных трудов Всероссийской научной конференции «Вода и водные ресурсы: системообразующие функции в природе и экономике». - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2012. -С. 202-206.

Работы №№ 1-2 опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, соответствующих перечню ВАК РФ

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 6084/16. Объем 1,0 уч.-изд.л.

Заказа № 2984. Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ «КОШ/ЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Зимовец, Алина Александровна, Ростов-на-Дону

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

/Г7

04201357278

Зимовец Алина Александровна

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 25.00.23 - «физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор географических наук, профессор Федоров Юрий Александрович

Ростов-на-Дону -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

С.

Введение 3

Глава 1. Эколого-географическая характеристика наземных и

аквальных ландшафтов района исследования 10

1.1. Географическое положение 10

1.2. Геологическое строение, рельеф, полезные ископаемые 13

1.3. Климат 17

1.4. Поверхностные воды 21

1.5. Почвенный покров 27

1.6. Общая характеристика экологического состояния 30 Глава 2. Тяжелые металлы как индикатор загрязнения окружающей среды (понятие, происхождение, пути и источники поступления) 35 Глава 3. Объекты и методы исследований 48

3.1. Расположение станций сети мониторинга 48

3.2. Основные источники загрязнения соединениями тяжелых металлов ландшафтов района исследования 50

3.3. Методика проведения исследований 53

3.3.1. Метеорологические условия отбора 54

3.3.2. Методика отбора и подготовки проб 56

3.3.3. Методика определения тяжелых металлов в пробах 59

3.3.4. Методика определения физико-химических параметров 59

3.3.5. Методика определения содержания органического углерода 60

2.3.6. Методика создания базы данных 60 Глава 4. Физико-химические условия их влияние на поведение ТМ в компонентах наземных и аквальных ландшафтов района исследований 63

4.1. Атмосферные осадки 63

4.2. Поверхностные воды и донные отложения 67

4.3. Почвенный покров 76

4.4. Физико-химическая обстановка как один из факторов, оказывающих влияние на формы нахождения тяжелых металлов

(на примере ртути) 79 Глава 5. Распределение тяжелых металлов в наземных и аквальных

ландшафтах района исследований 85

5.1. Тяжелые металлы в атмосферных осадках 35

5.2. Тяжелые металлы в компонентах аквального ландшафта 112

5.2.1. Тяжелые металлы в речных водах 112

5.2.2. Тяжелые металлы в донных отложениях 130

5.3. Тяжелые металлы в почвенном покрове водосборной площади исследуемого региона 152

Глава 6. Элементарные ландшафты как арена формирования

концентраций и потоков тяжелых металлов 165

6.1. Структура ландшафтов устьевой области р. Северная Двина 165

6.2. Потоки тяжелых металлов в окружающей среде района исследований 174

Заключение 179

Литература 181

ВВЕДЕНИЕ

Объекты исследования - наземные и аквальные ландшафты устьевых областей северных рек.

В ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ ВХОДИЛО:

2. Установление региональных закономерностей распределения основных физико-химических показателей в системах «атмосфера - вода», «вода - донные отложения» и «почвы - вода» в контексте их влияния на формы нахождения и миграции ТМ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в следующем:

- Описан биогеохимический круговорот ТМ (на примере в зависимости от величин рН и ЕЬ в различных средах и на их границах и предложена его концептуальная модель.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫ Е ПОЛОЖЕНИЯ:

природным и антропогенным ландшафтам, где господствует сероводородная и глеево-сероводородная обстановки.

2. Для компонентов наземных и аквальных ландшафтов общей закономерностью являются относительно низкие величины физико-химических параметров, что связано с влиянием поступающих из торфяных болот вод. Установлена следующая тенденция изменения средних величин рН и ЕЬ: значения рН возрастают в ряду почва —> атмосферные осадки —> донные отложения —► речная вода, а ЕЙ - донные отложения —» речные воды —► почва —> атмосферные осадки.

приурочены к дельте реки; в поверхностных водах содержания Си, Сг и Хп превышают существующие ПДК; донные отложения на участке акватории порт Бакарица - г. Архангельск существенно обогащены металлами, дельта реки выделяется повышенными относительно условно фонового содержаниями по реке величинами РЬ; по суммарному показателю загрязнения почвы относятся к допустимой категории загрязнения тяжелыми металлами.

4. Определены геохимические ряды последовательности величин потоков тяжелых металлов, поступающих через атмосферный канал (Хп > Сг

> № > РЬ > Си > Сё с плоскостным смывом на почвенных частицах (Сг

> Zn > № > Си > РЬ > Сё в результате выноса растворенных форм металлов с речными водами в Двинской залив Белого моря (2п > № > Си >

РЬ > Сг >Сс1

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. В

кафедры Физической географии, экологии и охраны природы геолого-географического факультета Южного федерального университета (бывший РГУ). Экспедиционные наблюдения производились в теплый (весенне-летний) и холодный (осенне-зимний) сезоны с 2004 по 2009 гг. Отбор проб осуществлялся как в ходе морских экспедиций с борта научно-исследовательского судна «Айсберг-2», так и в наземных маршрутах в сотрудничестве со специалистами Северо-Двинской устьевой станции. Диссертантка принимала участие в полевых исследованиях, производила отбор проб и их подготовку к дальнейшему анализу, проводила работы по определению содержания растворенного в воде кислорода, рН и ЕЙ атмосферных осадков, почв, речных вод и ДО, выполняла сбор, обобщение и интерпретацию материалов, их математическую и картографическую обработку. В работе использованы результаты анализов 177 проб воды, атмосферных осадков, почв, ДО на содержание ТМ (Си, N1, РЬ, Сё, Сг, Ъп и Н§) с общим объемом определений около 900.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Наряду с получением новых научных данных расширяющих представления о геохимических особенностях и закономерностях миграции ТМ в различных компонентах ландшафтов Севера ЕТР, результаты исследования будут полезны и в прикладном отношении - при решении ряда вопросов связанных с возможностью безопасного использования вод для их потребления и рыбного хозяйства, оптимизации экологического и гидрохимического мониторинга и в качестве основы для оценки экологического состояния устьевой области Северной Двины. Результаты диссертационной работы используются при подготовке и чтении ряда курса лекций по предметам «Ландшафтоведение», «Общая гидрология», «Экология человека», «Экология Мирового океана», «Охрана природы» и др. в Южном федеральном университете и Филиале Российского гидрометеорологического университета в г. Ростове-на-Дону.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы были представлены на И-VI Международных научно-практических

конференциях «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (Новороссийск, 2005-2008, 2010), XIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006» (Москва, 2006), V Всероссийской научно-практическая конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI в - будущее российской науки» (г. Ростов-на-Дону, 2007), Молодежной научной конференции «Экологические проблемы Севера» (г. Архангельск, 2008, 2011), IX Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2009), XVIII Международной научной конференции (Школы) по морской геологии (Москва, 2009, 2011), V международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые - наукам о Земле» (Москва, 2010), Международной конференции «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2010), 1 Ith International Multidisciplinary Scientific GeoConference & EXPO «Modern Management of Mine Producing, Geology and Environmental Protection» (Albena, Bulgaria, 2011), Всероссийской научной конференции «Вода и водные ресурсы: системообразующие функции в природе и экономике» (Цимлянск, 2012).

природы. Автор выражает благодарность коллективу Северо-Двинской устьевой станции во главе с начальником Шевченко Л. Б. и экипажу НИС «Айсберг-2» за сотрудничество и содействие в проведении экспедиций.

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАЗЕМНЫХ И АКВАЛЬНЫХ ЛАНДШАФТОВ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Географическое положение. Северная Двина и её притоки относятся к бассейну Белого моря, расположены в северной части Русской равнины (рис. 1.). Водосборный бассейн реки представляет собой обширную лесистую равнину, полого опускающуюся в северо-западном направлении.

Рис. 1. Местоположение исследуемой территории в пределах Архангельской области (без Ненецкого автономного округа) (Атлас

Архангельской области, 1980)

Северная Двина, крупнейшая река Европейского Севера России, образуется при слиянии рр. Сухоны и Юга. Река и ее притоки расположены на территории бассейна Белого моря в северной части Русской равнины (рис. 1.). Длина реки от места слияния до впадения в Двинский залив Белого

моря - 750 км. Бассейн реки занимает площадь 357000 км2 и территориально охватывает Архангельскую, Вологодскую области и республику Коми. По величине стока воды (110 км3 в год - около трети общего речного стока в Баренцево и Белое моря) р. Северная Двина занимает четвертое место в Европе (Бреховских и др., 2003, Зотина, Михайлова, 1965, Система Белого моря, 2010).

Район исследования охватывает устьевую область р. Северная Двина (рис. 2). Она охватывает обширный участок нижнего течения реки от впадения р. Пинеги до морского края дельты и юго-восточную часть Двинского залива Белого моря (рис. 2).

Чг

I , / Никольский рукав

2 Мурманский рукав . Корабельный рукав

V Протока Кузнечиха **■- л Протока Маймакса

:>; о. ЧуОьюгскии

* V-

АРХАНГЕЛЬСК

НОВОДВИИСК

Приустьевой участок реки Депьта

Устьевое взморье

Рис. 2. Картосхема устьевой области р. Северная Двина (выполнена автором по данным Зотина, Михайлова, 1965)

Верхняя граница устьевой области проходит у устья Пинеги, где прекращаются приливные колебания уровня. Морская граница тянется по свалу глубин, примерно по 8-метровой изобате. Входящий в устьевую

область приморский участок реки имеет протяженность по судоходному фарватеру 135 км. Устьевая область Северной Двины делится на три структуры (рис. 2).

1. Приустьевой участок (от устья р. Пинеги до г. Архангельска), имеющий протяженность 95 км;

2. Дельта реки с тремя основными рукавами и многочисленными протоками. Она начинается у г. Архангельска и напоминает полураскрытый веер. Слева (по направлению стока) она ограничена Никольским рукавом и примыкающей к нему системой мелких протоков (Шихириха, Малкурья и др.), справа - верхней частью Корабельного рукава, а затем протокой Кузнечиха, низовой частью Маймаксы и Корабельным устьем. Наиболее широким из рукавов является Никольский. По нему Северная Двина сбрасывает в море более 1/3 годового стока и немногим менее половины сток

Информация о работе

Зимовец, Алина Александровна
кандидата географических наук
Ростов-на-Дону, 2013
ВАК 25.00.23

Диссертация

Геохимические условия распределения тяжелых металлов в наземных и аквальных ландшафтах - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы