Пространственно-временные тренды и факторы загрязнения почвенного покрова Москвы

Полный текст

Введение Одной из глобальных тенденций развития общества является урбанизация с увеличением роли мегагородов, которые представляют собой центры интенсивного импактного загрязнения среды в результате концентрации на небольших площадях населения, транспорта и промышленного производства. На территориях городов формируются специфические городские ландшафты, сочетающие в себе природные и антропогенные компоненты, в которых возникают искусственные геохимические потоки и обширные аномалии загрязняющих веществ [1]. Среди крупных индустриальных городов России Москва является одним из самых загрязненных, поэтому здесь постоянно ведутся исследования состояния почвенного покрова и других компонентов ландшафта [1-8]. Наблюдения за экологическим состоянием почв Москвы и содержанием в них тяжелых металлов и металлоидов велись в Институте минералогии, геохимии и кристаллохимии редких металлов (ИМГРЭ) под руководством Ю.Е. Саета [2; 9]. С 2007 г. ежегодный мониторинг почв проводится ГПБУ «Мосэкомониторинг» при Департаменте природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы [9], выпускаются ежегодные доклады о состоянии окружающей среды в Москве, содержащие главу «Городские почвы и земли» [10]. Цель данной работы - изучение многолетней динамики загрязнения почвенного покрова г. Москвы ТММ и бенз(а)пиреном на основе данных Мосэкомониторинга. Решались следующие задачи: · выявление многолетних трендов накопления поллютантов в поверхностном горизонте городских почв отдельных административных округов (АО) и города в целом; · определение роли антропогенных факторов и физико-химических свойств почв в формировании техногенных геохимических аномалий; · оценка эколого-геохимического состояния городских почв с помощью предельно и ориентировочно допустимых концентраций (ПДК/ОДК) поллютантов в почвах. Данные наблюдений ГПБУ «Мосэкомониторинг» за состоянием городских почв в пределах МКАД за 2007-2016 гг. включают основные физико-химические свойства поверхностного (0-10 см) слоя почв и содержание шести тяжелых металлов (Zn, Cd, Pb, Cu, Ni, Hg), одного металлоида (As) и БаП в 2238 точках (17 904 пробы). Изучаемые поллютанты относятся к 1 (Pb, Hg, Zn, Cd, As, БаП) и 2 (Cu, Ni) классам опасности [11]. Объект исследования Природные условия. Площадь Москвы после изменения городских границ в 2012 г. составляет 2561,5 км2, внутри МКАД находится примерно треть этой площади - около 900 км2 [12]. Город расположен в центральной части Русской платформы. К четвертичному периоду здесь сложился эрозионно-тектонический рельеф, который в значительной степени был нивелирован отложениями моренных суглинков, песчаных водно-ледниковых и озерно-ледниковых осадков при отступании ледников. Экзогенные процессы более позднего времени (водная эрозия, аккумуляция речных и озерных осадков, карстовые процессы) также наложили свой отпечаток на черты современного рельефа [13]. Москва относится к зоне континентального климата со средней годовой температурой воздуха в городе +5,1 °С. Средняя температура января -9,3 °С, июля +18,2 °С. В теплое время года преобладают северо-западные ветры, а в холодное - юго-западные. Загрязнение воздуха представляет наибольшую угрозу для столичной экологии. В Северном, Южном и Центральном районах Москвы существуют зоны с довольно плотной жилой застройкой, для которых характерны низкие скорости ветра (0-2 м/с) и частая повторяемость штилей весной и летом, что способствует оседанию выбросов [14]. Поскольку более 90 % всех вредных выбросов приходится на транспорт [1; 15-17], самыми экологически опасными зонами, особенно в безветренную погоду, являются районы, прилегающие к крупным магистралям, а также центр города. Естественный ход температуры, распределение осадков, влажности, солнечного сияния и ветровой режим значительно изменяются в связи с большой площадью асфальтовых покрытий и зданий. Возникающий над большим городом «остров тепла» выражен в Москве весьма отчетливо. В результате температура в целом по городу на 1,5-2 °С выше, чем в окрестностях [14], что в летний период способствует формированию городского бриза [18]. Территория Москвы относится к Среднерусской провинции Восточно-Европейской суббореальной лесной области. В почвенном покрове фоновых районов доминируют дерново-подзолистые суглинистые почвы с контрастным текстурнодифференцированным профилем [19]. Естественные почвы в лесопарках Москвы занимают 48-60 % площади [20]. Растительность Москвы представлена в основном искусственными насаждениями с преобладанием липы мелколистной, гибридов тополей, ясеня пенсильванского, кленов ясенелистного и платановидного [21]. Техногенное воздействие. Москва - самый населенный город России и Европы. В настоящее время Московская агломерация насчитывает 16,7 млн чел., к 2025 г. эта цифра может вырасти до 21 млн чел. [22]. По данным МВД России [23], в 2017 г. автомобильный парк столицы насчитывал около 4,6 млн единиц, из которых 90,4 % составляли легковые автомобили, 8,5 % - грузовые автомобили, 1,1 % - автобусы. Москва концентрирует 9 % автопарка России, при этом ежегодные выбросы составляют более 1 млн т загрязняющих веществ [24]. Доля выбросов в атмосферу от передвижных источников в среднем по России в 2016 г. составила 44,7 % [25], в то время как по Москве этот показатель превысил 93 % [1; 15-17; 24]. Ежегодно на 8-10 % увеличиваются количество автотранспорта и его вклад в загрязнение городской среды [1; 15-17; 24]. Автотранспорт является источником ТММ за счет выхлопных газов, истирания шин и тормозных колодок, абразии дорожного покрытия и выдувания дорожной пыли и частиц почвы, накапливающихся вдоль бордюров [1]. В последнее десятилетие наблюдается сокращение выбросов от передвижных источников из-за обновления автомобильного парка и улучшения качества топлива [15]. В Москве расположено более 340 тыс. предприятий, в том числе 2800 крупных промышленных объектов, 39 тыс. жилых зданий, 15 ТЭЦ и 53 тепловые станции [24]. Ежегодные выбросы от стационарных источников составляют более 60 тыс. т [10]. За 1990-2015 гг. объем выбросов от стационарных источников в Москве сократился в 4 раза (в целом по стране в 2 раза) из-за закрытия или вывода ряда предприятий в соседние регионы и реновации оставшихся в столице производств, в частности ТЭЦ и Московского НПЗ. Однако около 18,8 тыс. га, или 17 % площади Москвы в границах 2010 г., все еще занято промзонами [17]. Производственная деятельность во многих из них уже свелась к минимуму, но в них остаются стационарные непромышленные источники выбросов - полигоны твердых бытовых отходов, АЗС, автомойки, медицинские учреждения, лаборатории, мелкие котельные [15; 26]. Постоянный рост численности населения и автотранспорта ведет к усилению техногенной нагрузки на городскую среду и оказывает негативное воздействие на состояние почвенного покрова. Техногенные факторы почвообразования становятся преобладающими в Москве, формируя в новых экологических условиях специфические группы почв и сложный почвенный покров. На территории Москвы преобладают антропогенные почвы, среди которых наиболее распространены урбаноземы и квазиземы [27]. Для почв Москвы характерно нарушенное строение профиля, несогласованное залегание горизонтов, наличие антропогенных горизонтов с высокой степенью загрязнения широким спектром ТММ. Загрязняющие вещества осаждаются из атмосферы на поверхность городских почв и накапливаются в них, изменяя морфологические и физико-химические свойства верхних горизонтов [28]. Мощность антропогенно-преобразованной толщи значительно варьирует и составляет от нескольких сантиметров до 1 и более метра. В большинстве случаев для городских почв отмечено снижение мощности гумусовых горизонтов до 2-4 см, нейтральная или близкая к нейтральной реакция среды (рН 6,6-7,5), которая способствует снижению скорости миграции ТМ [29]. Материалы и методы исследования Сеть почвенного мониторинга сформирована с учетом территориального деления и функционального зонирования Москвы. Она состоит из 1333 площадок постоянного мониторинга, среди которых ежегодно обследуется около 200-300 площадок (рис. 1), где смешанные пробы почв, состоящие из 5 индивидуальных, отбираются с глубины 0-20 см методом конверта с площади 1 м2. Содержание ТММ в пробах анализируется приближенно-количественным спектральным методом, Hg - методом атомной абсорбции с термической возгонкой паров ртути, БаП - методом высокоэффективной жидкостной хроматографии [9; 10]. Характер использования городских территорий играет ведущую роль в формировании техногенных геохимических аномалий [30], поэтому для учета этого фактора нами проведено функциональное зонирование территории. При зонировании все точки почвенного мониторинга отнесены к одной из четырех зон: транспортной, промышленной, селитебной и рекреационной. Статистическая обработка данных выполнена в пакете STATISTICA 10. Экологическая опасность загрязнения почв оценивалась на основе гигиенических нормативов - предельно допустимых концентраций (ПДК) для 6 поллютантов и ориентировочно допустимых (ОДК) - для As и Сd [31; 32]. Вычислялся коэффициент экологической опасности Ko = Сi / ПДКi, где Сi - содержание i-го поллютанта в городской почве. Геохимическая неоднородность почвенного покрова и влияние природноантропогенных факторов на аккумуляцию ТММ и БаП в городских почвах оценивались в программном пакете S-PLUS с помощью метода регрессионных деревьев, который заключается в последовательном делении таблицы данных по одному из факторов на две части таким образом, чтобы каждая из них была максимально однородной [33]. Полученные группы характеризуются вариабельноn стью прогнозируемого признака D = å( yi - y )2, где ӯ - среднее значение yi по i =1 всем n наблюдениям в группе. Каждая из групп затем делится еще на две части и т.д. Каждое деление можно рассматривать как ветвление по одной из переменных-предикторов; структура и количество ветвей результирующего дерева зависят от числа уровней деления. Процесс разбиения заканчивается, если n становится меньше заранее установленного (10-15) или если проверка гипотезы о значимости различий между средними значениями с помощью t-теста дает отрицательный результат. Для каждого конечного узла дендрограммы по n точкам опробования рассчитываются средняя концентрация элемента и коэффициент ее вариации Сv. Метод позволяет прогнозировать уровни содержания поллютантов в почвах при различных сочетаниях факторов, а также оценить значимость последних [3; 4; 28]. Рис. 1. Точки отбора почвенных образцов в 2007 и 2016 гг. [Figure 1. Soil sampling points in 2007 and 2016] Результаты и их обсуждение Динамика содержания ТММ и БаП в городских почвах. Исследованы 9 из 12 административных округов в пределах МКАД, которые подвергаются антропогенной нагрузке наиболее длительное время. Многолетние тренды накопления ТММ и БаП в поверхностном горизонте городских почв АО и города в целом выявлены на основе анализа средних содержаний (Mean) поллютантов в почвах округов в 2007 и 2016 гг. и приросту/уменьшению их содержания (D)за рассматриваемый период (табл. 1). Кошелева Н.Е., Цыхман А.Г. Вестник РУДН. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2018. Т. 26. № 2. С. 207-236 212 Таблица 1/Table 1 Динамика среднего содержания ТММ и БаП (мг/кг) в почвах административных округов Москвы за 2007-2016 гг. [Dynamics of average content of heavy metals and metalloids and benzo(a)pyrene (BaP) (mg/kg) ГЕОЭКОЛОГИЯ in topsoils for administrative districts (АDs) of Moscow in 2007-2016] ЦАО САО СВАО ВАО ЮВАО ЮАО ЮЗАО ЗАО СЗАО Москва ПДК/ОДК* Central AD Northern AD NorthEastern AD Eastern AD South-Eastern AD Southern AD SouthWestern AD Western AD NorthWestern AD Entire Moscow MPC/TPC* Cu 2007 30,2 25,7 69,0 35,0 55,6 35,9 28,3 24,0 14,4 35,8 55 2016 64,2 33,8 31,3 43,9 47,2 36,3 37,4 26,6 19,0 38,5 D +34,0 +8,1 -37,7 +8,9 -8,4 +0,4 +9,1 +2,6 +4,6 +2,7 Zn 2007 191,6 133,4 254,5 140,8 276,8 191,4 179,9 131,0 83,9 177,5 100 2016 174,7 111,2 152,3 117,9 154,7 132,7 105,6 101,8 62,0 126,4 D -16,9 -22,2 -102,2 -22,9 -122,1 -58,7 -74,3 -29,2 -21,9 -51,1 Pb 2007 83,6 32,3 48,3 56,9 97,3 85,1 80,3 47,6 21,3 62,9 32 2016 65,8 25,3 31,1 33,9 38,7 37,0 26,5 30,6 18,1 35,0 D -17,8 -7,0 -17,2 -23,0 -58,6 -48,1 -53,8 -17,0 -3,2 -27,9 Ni 2007 15,3 18,8 19,8 19,8 26,0 25,5 21,9 16,4 15,4 20,4 85 2016 17,0 16,1 14,8 15,8 14,7 18,7 20,0 17,4 13,6 16,4 D +1,7 -2,7 -5,0 -4,0 -11,3 -6,8 -1,9 +1,0 -1,8 -4,0 Cd 2007 0,58 0,62 0,48 0,98 2,09 0,91 0,66 0,35 0,24 0,77 2* 2016 1,10 0,71 0,65 0,96 1,12 0,62 0,52 0,63 0,35 0,78 D +0,52 +0,09 +0,17 -0,02 -0,97 -0,29 -0,14 +0,28 +0,11 +0,01 As 2007 3,79 2,35 2,47 3,53 6,42 6,14 5,90 4,58 1,99 4,34 10* 2016 5,80 5,30 5,50 4,83 5,32 5,34 5,38 5,13 4,08 5,20 D +2,01 +2,95 +3,03 +1,30 -1,10 -0,80 -0,52 +0,55 +2,09 +0,86 Hg 2007 0,61 0,24 0,33 0,30 0,54 0,32 0,51 0,18 0,15 0,34 2,1 2016 0,38 0,20 0,19 0,19 0,27 0,16 0,16 0,11 0,07 0,20 D -0,23 -0,04 -0,14 -0,11 -0,27 -0,16 -0,35 -0,07 -0,08 -0,14 БаП 2007 0,516 0,161 0,240 0,318 0,322 0,036 0,011 0,041 0,140 0,175 0,02 2016 0,066 0,044 0,051 0,079 0,061 0,040 0,031 0,031 0,017 0,047 D -0,450 -0,117 -0,189 -0,239 -0,261 +0,004 +0,020 -0,010 -0,123 -0,128 За 10-летний период содержание Cu, Cd, As в почвах ЦАО и Cd в ЗАО и СЗАО увеличилось вдвое; As в САО, СВАО и ВАО - в 1,4-2,3 раза (рис. 2). Содержание Zn (рис. 3), Pb (рис. 4) и Hg стало ниже во всех АО. В среднем по Москве в 2016 г. содержание всех элементов понизилось или осталось неизменным, за исключением As, содержание которого в почвах выросло на 20 %. Концентрация БаП (рис. 5) уменьшилась в 4-8 раз практически во всех округах. Несмотря на увеличение содержания БаП в ЮАО и ЮАЗО, оно остается ниже среднего содержания этого полиарена по Москве. Такие результаты могут свидетельствовать об улучшении экологической ситуации в Москве за последнее десятилетие. Снижение содержания ТММ в почвах Москвы может быть обусловлено значительным сокращением выбросов от промышленных источников из-за их закрытия во время кризиса, процессами реновации производств, а также ужесточением экологических норм и улучшением качества топлива [15]. Однако это утверждение спорно по нескольким причинам. Во-первых, содержание многих опасных ТММ (Se, Tl, Sb, Th, U, Ba) в почвах России неизвестно [34; 35], в Москве они определяются эпизодически и только в отдельных районах города [1; 36]. Во-вторых, в почвах Москвы выявлено многократное превышение гигиенических нормативов токсичными элементами Sb, Mo, W, Cr, Bi [37; 38], но при ежегодном почвенном мониторинге эти ТММ не определяются, что можно объяснить недооцениванием опасности этих поллютантов. Многолетняя динамика содержания ТММ и БаП в почвенном покрове Москвы (рис. 6) характеризуется уменьшением среднего содержания (Mean) изучаемых элементов, за исключением As. Стандартное отклонение (SD) для Cu, Ni, Pb, Hg и БаП за текущее десятилетие также понизилось, т.е. разброс значений стал меньше. Факторы формирования техногенных аномалий ТММ и БаП. Как известно, специфика и уровень техногенной нагрузки на городские почвы, т.е. интенсивность поступления поллютантов, определяются видом использования территории [39], а уровень их накопления зависит от фиксирующей способности почв. Для выяснения влияния природно-антропогенных факторов на аккумуляцию ТММ и БаП в городских почвах был проведен многофакторный регрессионный анализ. Статистические модели, отражающие дифференциацию поверхностного слоя почв по содержанию ТММ и БаП в 2007, 2012 и 2016 гг., строились в зависимости от следующих факторов и условий (табл. 2): · содержания органического углерода (Сорг, SOM), который характеризует одну из основных фаз-носителей ТММ [40] и БаП [41]; · кислотно-основных условий (pHсол, pHsal), которые влияют на миграционную способность ТММ; · гранулометрического состава (Гран. с., Texture) почв: содержание тонких (илистой и глинистой) фракций обусловливает способность почвы прочно закреплять ТММ. При отборе почвенных проб сотрудниками ГПБУ «Мосэкомониторинг» выделялись следующие фракции: песок, супесь, легкий, средний и тяжелый суглинки, насыпной грунт (торфяно-песчаная смесь); насыпной грунт, ниже которого супесь; насыпной грунт, перекрывающий суглинок; Рис. 2. Содержание Cd в почвенном покрове Москвы в 2007 и 2016 гг. Figure 2. The content of Cd in the soil cover of Moscow in 2007 and 2016 Рис. 3. Содержание Zn в почвенном покрове Москвы в 2007 и 2016 гг. Figure 3. The content of Zn in the soil cover of Moscow in 2007 and 2016 Рис. 4. Содержание Pb в почвенном покрове Москвы в 2007 и 2016 гг. Figure 4. The content of Pb in the soil cover of Moscow in 2007 and 2016 Рис. 5. Содержание БаП в почвенном покрове Москвы в 2007 и 2016 гг. Figure 5. The content of benzo(a)pyrene in the soil cover of Moscow in 2007 and 2016 Cu 125 100 75 50 25 Zn 350 280 210 140 0 -25 -50 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 70 0 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Ni Cd 40 2,4 30 1,8 1,2 20 0,6 10 0,0 0 -0,6 -10 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 -1,2 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 280 210 140 Pb As 8 6 70 4 0 2 -70 -140 0 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Hg БаП 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,2 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 -0,4 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Среднее Среднее ± Ошибка Среднее ± Станд. откл. Рис. 6. Многолетняя динамика содержания ТММ и бенз(а)пирена (мг/кг) в почвенном покрове Москвы Cu 125 100 75 50 25 Zn 350 280 210 140 0 -25 -50 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 70 0 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Ni Cd 40 2,4 30 1,8 1,2 20 0,6 10 0,0 0 -0,6 -10 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 -1,2 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 280 210 140 Pb As 8 6 70 4 0 2 -70 -140 0 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Hg Benzo(a)pyrene 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,2 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 -0,4 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Mean Mean ± SE Mean ± SD Figure 6. Long-term dynamics of heavy metal, metalloid and benzo(a)pyrene content (mg/kg) in the soil cover of Moscow · функционального назначения городских территорий (ФЗ, LUZ), которое определяет характер и интенсивность техногенной геохимической нагрузки и, таким образом, играет ведущую роль в формировании геохимических аномалий [39]. На территории Москвы выделены следующие функциональные зоны (ФЗ): транспортная, промышленная, селитебная, рекреационная; · пространственного фактора, выраженного через принадлежность к АО (AD): каждый округ уникален по составу и количеству источников загрязнения, а также положению относительно преобладающих ветров, способствующих атмосферному переносу ТММ. В Москве выделены 12 АО, однако в исследовании участвуют только 9 ограниченные МКАДом: ЦАО, САО, СВАО, ВАО, ЮВАО, ЮАО, ЮЗАО, ЗАО, СЗАО. Результаты расчетов по методу регрессионных деревьев (табл. 2) выявили особенности накопления отдельных поллютантов. Кадмий. Накопление Cd в почвах Москвы контролируется их гранулометрическим составом, содержанием Cорг и зависит от местоположения на территории Москвы в границах того или иного АО. Содержание Cd максимально в почвах тяжелого грансостава, а также при высоких содержаниях органического вещества. Лидером по загрязнению почв Cd является ЮВАО: содержание Cd в 2007 г. было более чем в 3 раза выше, чем в остальных округах (2,1 против 0,63 мг/кг). В 2012 и 2016 гг. к ЮВАО присоединились СВАО, ЮАО и ЦАО, ВАО соответственно. При этом аккумуляция Cd усиливалась с увеличением Сорг. Так, в 2012 г. среднее содержание Cd в почвах ЮВАО было почти вдвое выше, чем в остальных округах, а при Сорг > 7,8 % оно возрастало еще вдвое - с 0,84 до 1,70 мг/кг. В 2016 г. в почвах ЦАО, ВАО, ЮВАО при Сорг > 6,1 % содержание Cd увеличивалось на 63 %. Наименьшее количество Cd характерно для почв легкого гранулометрического состава - практически вдвое меньше, чем в почвах тяжелого грансостава. Такое же уменьшение содержания Cd наблюдалось в западной и южной частях города (СЗАО, ЗАО, ЮЗАО и ЮАО) при Сорг < 6,1 %. Медь. Наиболее важными факторами аккумуляции Cu являются свойства почв - реакция среды и содержание органического вещества, при этом уровни содержания Cu сильно варьируют от округа к округу. Обратная зависимость между кислотностью почв и содержанием Cu характерна для всех рассматриваемых годов. В кислой и нейтральной средах (при рНсол < 7,5) среднее содержание Cu было в 2007 г. в 3 раза ниже, чем в щелочной - 30,2 и 94,4 мг/кг соответственно. Наибольшее содержание Сu отмечено при содержании органического вещества в диапазоне 5,1-10,9 %, наименьшее - при Сорг < 5,1 %. В целом за 10-летний период в большинстве АО содержание Cu увеличилось (см. табл. 1). Ее ускоренное накопление выявлено в почвах ЦАО, ВАО и ЮВАО, где среднее содержание Cu в 2016 г. составило 51,5 мг/кг, что на 34 % выше, чем в среднем по Москве. Наименее благоприятные условия для аккумуляции Cu сложились в почвах западной части Москвы (СЗАО, ЗАО и ЮЗАО), причем минимальное накопление Cu в почвах наблюдалось при нейтральной и кислой реакциях среды и невысоком содержании Сорг. Факторы накопления ТММ и БаП в поверхностном горизонте почв Москвы и их значимость в разные годы наблюдений Таблица 2 Год Факторы Тяжелые металлы, металлоиды и БаП Cu Zn Ni Cd Pb As Hg БаП 2007 Сорг 2 ± 4, 5 ± 4, 5 ± 4 + 4, 5 ± 2, 5, 6 ± 4 + рНсол 1, 3 + 2, 4, 5, 6 ± 3 ± 5 ± 1, 3, 4, 5 + 5 + 2, 4 + 3 + Гран. с. 4 3 2 3, 4 3 3 4, 5 2 ФЗ 5 2, 4 4 3 4 АО 2, 3, 6 1 1, 3 1, 2, 3 2, 5 1, 2 1, 3 1, 2, 4 2012 Сорг 3, 4 ± 2, 3 ± 2, 3 ± 2, 3, 4 ± 2, 3 ± 1, 3 + 2, 3 + 4, 5 ± рНсол 3 + 3, 5 ± Гран. с. 2, 3 1 1 2, 3 1 4 3, 4 3 ФЗ 5 4 3 3 2 АО 1, 2 2, 3, 4 2, 3, 4 1, 3 2, 3, 5 2, 4 1, 2 1, 2, 4 2016 Сорг 2 + 2, 3 ± 2, 4 ± 2, 3 ± 4 ± 1, 2, 4 ± 2 + 3, 4 ± рНсол 3, 4 + 5 ± 3 ± 2 + Гран. с. 3 1 2 2, 4 5 1, 3 ФЗ 3 4 2 4 3 4 АО 1, 2 1, 2, 4 3, 4 1, 3 1, 2, 5 2, 3, 4, 5 1, 3 2, 5 Примечание. Ранги от 1 до 5 показывают уменьшение значимости фактора. Знаки «+» и «-» отражают соответственно прямую и обратную зависимости содержания ТММ или БаП от того или иного фактора; знак «±» показывает неоднозначность влияния фактора. Для качественных переменных характер связи не определялся. Factors of HMM and BaP accumulation in the topsoils of Moscow and their importance in different years of observation Table 2 Year Factors Heavy metals and metalloids and benzo(a)pyrene Cu Zn Ni Cd Pb As Hg BaP 2007 SOM 2 ± 4, 5 ± 4, 5 ± 4 + 4, 5 ± 2, 5, 6 ± 4 + рНsal 1, 3 + 2, 4, 5, 6 ± 3 ± 5 ± 1, 3, 4, 5 + 5 + 2, 4 + 3 + Texture 4 3 2 3, 4 3 3 4, 5 2 LUZ 5 2, 4 4 3 4 AD 2, 3, 6 1 1, 3 1, 2, 3 2, 5 1, 2 1, 3 1, 2, 4 2012 SOM 3, 4 ± 2, 3 ± 2, 3 ± 2, 3, 4 ± 2, 3 ± 1, 3 + 2, 3 + 4, 5 ± рНsal 3 + 3, 5 ± Texture 2, 3 1 1 2, 3 1 4 3, 4 3 LUZ 5 4 3 3 2 AD 1, 2 2, 3, 4 2, 3, 4 1, 3 2, 3, 5 2, 4 1, 2 1, 2, 4 2016 SOM 2 + 2, 3 ± 2, 4 ± 2, 3 ± 4 ± 1, 2, 4 ± 2 + 3, 4 ± рНsal 3, 4 + 5 ± 3 ± 2 + Texture 3 1 2 2, 4 5 1, 3 LUZ 3 4 2 4 3 4 AD 1, 2 1, 2, 4 3, 4 1, 3 1, 2, 5 2, 3, 4, 5 1, 3 2, 5 Note. Ranks from 1 to 5 show a decrease in the significance of the factor. The signs “+” and “-” mean the direct and inverse relationship between the content of HMM or BaP and a factor respectively; the “±” sign shows the ambiguity in the influence of the factor. For qualitative variables, the pattern of relationship was not determined. Мышьяк. Значимыми факторами дифференциации почв по содержанию As являются функциональная и административная принадлежность территории. Наименьшее содержание As обнаружено в селитебной зоне, наибольшее - в рекреационной. В 2007 г. самыми загрязненными были ЮВАО, ЮАО, ЮЗАО, ЗАО, где среднее содержание As в почвах - 5,73 мг/кг (n = 162 пробы) - было почти в 2 раза больше, чем в остальных округах - 2,81 мг/кг (n = 148). В 2016 г. лидерами по загрязнению As стали ЦАО и СВАО. Аккумуляция As в почвах прямо пропорциональна содержанию органического вещества, которое фиксирует As. Так, в 2012 и 2016 гг. при Сорг > 10 % выявлено увеличение содержания As на 42-51 %. Условиями наименьшей аккумуляции As являются: минимальное содержание в почвах Сорг, приуроченность территории к ВАО, ЗАО, СЗАО и селитебной ФЗ. Никель. Ведущими факторами накопления Ni в почвах Москвы являются их свойства - гранулометрический состав и содержание органического углерода, а также местоположение на территории Москвы в пределах того или иного АО. Наиболее загрязненным является юг города (ЮВАО, ЮАО, ЮЗАО), однако здесь наметилась положительная тенденция - за 10-летний период почвы стали чище в 1,1-1,7 раза (см. табл. 1). Почвы тяжелого гранулометрического состава отличаются повышенным в 1,5-2 раза содержанием Ni по сравнению с песчаными и супесчаными почвами. Влияние органического вещества неоднозначно: в некоторых пробах с пониженным Cорг количество Ni повышено, в других - содержание Ni максимально при Cорг около 8 % и минимально при Cорг < 4,9 %. Это можно объяснить неоднородностью состава органического вещества в разных ФЗ. Если в рекреационной и селитебной зонах оно представлено природными фракциями гумуса [42], то вблизи промзон и автомагистралей в его составе преобладают труднорастворимые органические соединения, источниками которых являются асфальтовое покрытие, выбросы промышленных предприятий и автотранспорта [43]. Наименьшее содержание Ni зафиксировано в песчаных и супесчаных почвах при Cорг < 4,9 % в четырех округах - СВАО, СЗАО, ВАО, ЗАО. Ртуть. К наиболее значимым факторам аккумуляции Hg относятся кислотность почв, содержание Сорг, а также пространственное положение территории. Накопление Hg заметно (в 1,5-2 раза) усиливается в щелочных почвах. Так, в 2007 г. наибольшее содержание Hg было обнаружено при pHсол > 7,2 в ЦАО, ЮВАО и ЮЗАО, а в 2016 г. - при pHсол > 6,9 в ЦАО. На протяжении 10 лет исследований наиболее загрязненными Hg оставались два округа - ЦАО и ЮВАО, где содержание Hg было в 2 и более раз выше, чем в других округах. Факторы, препятствующие аккумуляции Hg в почвах, - кислая среда, в которой ртуть мобильна и выносится из почвенного профиля, и низкое содержание Сорг. Выявлена прямая зависимость между содержанием Hg и органического вещества, способствующего закреплению Hg в почвах. Так, в 2007 г. наиболее чистыми были почвы с Сорг < 2,4 %, в 2016 г. - с Сорг < 4,8 %. Различия в пороговых значениях Сорг объясняются активной рекультивацией городских почв с подсыпкой торфо-песчаных смесей, обогащенных органическим веществом. Свинец. На аккумуляцию Pb влияет множество факторов: почвенные свойства (рНсол, Сорг, гранулометрический состав), пространственное положение и функциональная принадлежность территории (рис. 7). Округа, лидирующие по содержанию Pb, - ЦАО, ЮВАО, ЮАО. В большинстве случаев в транспортной и промышленной ФЗ количество Pb в 1,5 раза выше, чем в остальных зонах. Подщелачивание почв вызывает усиление аккумуляции Pb. По данным 2007 г., в щелочных почвах (рНсол > 7,3) содержание Pb было в среднем в 2 раза выше, чем в кислых и нейтральных - 51,7 мг/кг (n = 249 проб) и 109 (n = 61) соответственно. В 2012 г. влияние рН выявить не удалось. В 2016 г. в почвах ЮВАО и ЮАО при щелочной реакции среды (рНсол > 6,9) содержание Pb повышалось более чем в 2 раза. Исключение составили ВАО и ЗАО, где в 2016 г. при рНсол > 6,9 содержание Pb снижалось в 1,5 раза, что можно объяснить рекультивационными мероприятиями с подсыпкой незагрязненных Pb торфо-песчаных смесей. Содержание органического углерода влияет на аккумуляцию Pb в совокупности с другими факторами, четкой взаимосвязи выявить не удалось, что, как было отмечено выше, можно объяснить неоднородностью состава органического вещества в условиях города. Влияние гранулометрического состава почв обусловлено использованием торфо-песчаных смесей: наименьшее содержание Pb в легко-, среднеи тяжелосуглинистых почвах, вдвое больше содержание в насыпном грунте, супесчаных и песчаных почвах с высоким содержанием Сорг. Наименее благоприятные условия для накопления Pb сложились в северной и западной частях Москвы (САО, СВАО, СЗАО, ЮЗАО и ЗАО) в почвах легко-, среднеи тяжелосуглинистого грансостава, в которые не вносились торфо-песчаные смеси. Последние обладают повышенной способностью к адсорбции ТММ из-за высокого содержания органического вещества. Цинк. Распределение Zn зависит от гранулометрического состава городских почв и местоположения на территории города. В почвах песчаного, легко-, среднеи тяжелосуглинистого состава среднее содержание Zn в 1,6 раза ниже, чем в супесчаных почвах, образующихся при подсыпке торфо-песчаной смеси, и насыпных грунтах (по данным 2012 г., 94,8 и 150,0 мг/кг соответственно), которые способны более активно аккумулировать ТММ. Почвы с повышенным на 20-22 % содержанием Zn расположены в ЦАО, СВАО, ЮВАО, ЮАО. Наименьшее количество Zn выявлено в почвах четырех округов - САО, ВАО, ЗАО, СЗАО. Так, в почвах СЗАО в 2016 г. среднее содержание Zn было равно 62,0 мг/кг, что более чем в 2 раза ниже среднегородского значения. Бенз(а)пирен. Уровень содержания БаП в почвах города определяется их гранулометрическим составом и пространственным положением (рис. 8). По данным 2016 г., в легкои среднесуглинистых почвах содержание БаП в 2,3 раза меньше, чем в супесчаных - 0,026 (по 86 пробам) и 0,060 мг/кг (по 138 пробам) соответственно. Наиболее загрязнены центральная и восточная части города (ЦАО, СВАО, ВАО, ЮВАО). В 2007 г. среднее содержание БаП (0,339 мг/кг, 121 проба) в них было почти в 5 раз больше, чем в остальных округах (0,069 мг/кг, 189 проб). В 2012 г. лидировал ВАО со средним содержанием БаП в почвах 0,102 мг/кг (21 проба), что почти втрое больше, чем в других АО (0,039 мг/кг, 212 проб). Рис. 7. Природно-антропогенные факторы (в овалах) распределения Pb (в прямоугольниках) в почвенном покрове Москвы. Для каждого конечного узла приводится средняя концентрация Pb, коэффициент вариации Cv и число точек опробования n. Градации гранулометрического состава почв: 1 - насыпной грунт; 2 - супесь; 3 - насыпной грунт, под которым супесь; 4 - легкий суглинок; 5 - средний суглинок; 6 - песок; 7 - тяжелый суглинок; 8 - насыпной грунт, под которым суглинок. Функциональные зоны: Т* - транспортная, П* - промышленная, Р* - рекреационная, С* - селитебная Figure 7. Natural and anthropogenic factors (in ovals) distribution of Pb (in boxes) in the soil cover of Moscow. The mean concentration of Pb, the coefficient of variation Cv and the number of sampling points n are given for each terminal node. Gradations of soil texture: 1 - filled soil; 2 - sandy loam; 3 - sandy loam underlain by filled soil; 4 - light loam; 5 - medium loam; 6 - sand; 7 - clay; 8 - loam underlain by filled soil. Land-use zones: residential, traffic, industrial, recreational Рис. 8. Природно-антропогенные факторы (в овалах) распределения БаП (в прямоугольниках) в почвенном покрове Москвы. Градации гранулометрического состава почв: 1 - насыпной грунт; 2 - супесь; 3 - насыпной грунт, под которым супесь; 4 - легкий суглинок; 5 - средний суглинок; 6 - песок; 7 - тяжелый суглинок; 8 - насыпной грунт, под которым суглинок. Функциональные зоны: Т* - транспортная, П* - промышленная, Р* - рекреационная, С* - селитебная Figure 8. Natural and anthropogenic factors (in ovals) distribution of benzo(a)pyrene (in boxes) in the soil cover of Moscow. Gradations of soil texture: 1 - filled soil; 2 - sandy loam; 3 - sandy loam underlain by filled soil; 4 - light loam; 5 - medium loam; 6 - sand; 7 - clay; 8 - loam underlain by filled soil. Land-use zones: residential, traffic, industrial, recreationa Наименьшее содержание БаП характерно для насыпных грунтов и среднесуглинистых почв, наиболее чистые АО - ЮАО, ЮЗАО и ЗАО. Оценка эколого-геохимического состояния почв города. Для оценки экологической опасности загрязнения почв использовались гигиенические нормативы - ПДК (для Cu, Zn, Ni, Pb, Hg и БаП) и ОДК (для As и Сd) [31; 32]. По данным 2007 г., в промышленной ФЗ нормативы превышены в 93 % точек (29 из 31), лидируют Zn и Pb (40 %), Zn (20 %) и Zn и БаП (7 %). В рекреационной ФЗ превышения нормативов зафиксированы в 77 % (33 из 43) точек, в 40 % - по Zn и Pb, в 20 % - по Zn, Pb и БаП, в 13 % - по Zn. Наиболее загрязненный округ выделить не удалось, а все «чистые» точки рекреационной зоны расположены в ЗАО, в СЗАО находится одна «чистая» точка. В транспортной ФЗ 70 % (30 из 43) точек имели превышения нормативов по одному или нескольким поллютантам. Лидеры по загрязнению - БаП (19 %) и ассоциация БаП - Zn - Pb (31 %). В транспортной зоне СВАО и СЗАО все точки пробоотбора имели превышения по одному или нескольким поллютантам. Около половины «чистых» точек расположены в ЮАО. В селитебной ФЗ 91 % (175 из 193) точек с превышением ПДК / ОДК, в основном по Zn и Pb (27 %), Zn, Pb и БаП (25 %) и БаП (18 %). Жилая зона наиболее загрязнена в ЮВАО (в 100 % точек опробования), а также в ВАО, ЗАО, САО, ЮАО, ЮЗАО (более 90 % точек с превышением нормативов по одному или нескольким поллютантам). Таким образом, в 2007 г. лидерами по загрязнению почв Москвы были Zn (с частотой превышения ПДК 70 %), Pb (60 %) и БаП (44 %). Превышения по Hg выявлены в 1 % точек, а содержание в почвах Ni было ниже ПДК. В 2016 г. в промышленной ФЗ частота превышения нормативов уменьшилась до 80 %. Приоритетными поллютантами остались БаП (16,7 %) и Zn - БаП (16,7 %). В СВАО и ВАО все 100 % точек опробования имеют превышения нормативов, в ЮВАО и САО - более 90 %. Наименее загрязненный округ - ЗАО, в котором располагается половина «чистых» точек. В рекреационной ФЗ частота превышения гигиенических нормативов снизилась до 74 % (в 22 % случаев - по Zn и БаП). В трех округах (ЦАО, САО и ВАО) нормативы превышены повсеместно. В СЗАО нормативы не превышались ни по одному из поллютантов, в нем расположена половина всех «чистых» точек столицы, что связано с влиянием национального парка «Лосиный остров». В транспортной ФЗ количество превышений гигиенических нормативов снизилось до 67 %. Большинство точек загрязнены Zn, Pb и БаП. В ЦАО и ВАО превышения ПДК/ОДК наблюдались повсеместно, треть «чистых» точек опробования расположена в ЮАО. В селитебной зоне частота превышений ПДК/ОДК снизилась до 76 % (22 % точек имели превышения по Cu, Zn, Pb, БаП, 18 % точек - Zn, Pb, БаП, 14 % - Zn и БаП). В жилой зоне ЦАО гигиенические нормативы превышены в 100 % точек, в ВАО, ЮВАО и ЗАО - в более 90 % точек. Наименее загрязнена жилая зона ЮАО, где находится почти треть всех «чистых» точек. Таким образом, в 2016 г. по частоте превышения ПДК поллютанты можно расположить в ряд: БаП (62 %) > Zn (50 %) > Pb (37 %) > Cu, As, Cd. Содержание Ni и Hg нигде не превышает ПДК. 350 БаП Pb Benzo(a)pyrene 280 210 120 90 Median 25-75 % Min-Max 60 140 70 30 0 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 0 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Рис. 9. Динамика коэффициентов экологической опасности Kо [Figure 9. Dynamics of environmental hazard indices Kо] Benzo(a)pyrene Pb БаП Pb Рис. 10. Изменение средних коэффициентов экологической опасности Kо по административным округам г. Москвы за 2007-2016 гг. [Figure 10. Change in the average indices of environmental hazard Kо for administrative districts of Moscow in 2007-2016] Наибольшая кратность превышения норматива у БаП: в 2007 г. в селитебной зоне ЮВАО Kо = 188, в селитебной зоне ЦАО - 170 и в промышленной зоне СЗАО - 134. В 2008 г. эти превышения достигли максимальных значений за все время наблюдений: в селитебной зоне ЮВАО Kо = 317, в промышленной зоне ВАО - 282, в рекреационной зоне ЮВАО - 199, в транспортной ЦАО - 174 (рис. 9). Второе место по кратности превышения ПДК занял Pb: в 2007 г. в селитебной зоне ЮАО Kо = 29, в транспортной зоне ЮВАО - 14, в селитебной зоне ВАО и ЮЗАО - 11. В 2008 г. зарегистрирован пик Kо = 111 в селитебной зоне СВАО. К 2016 г. максимальные значения Kо у БаП уменьшились до 12-13, т.е. более чем в 100 раз, а у Pb - до 3-8 (рис. 9). Средние значения Kо для БаП за последнее десятилетие понизились во всех округах, за исключением ЮАО и ЮЗАО, а Pb - на всей территории города (рис. 10). Выводы Анализ многолетней динамики содержания поллютантов в почвах отдельных АО Москвы показал двукратное увеличение содержания Cu, Cd, As в ЦАО и Cd в ЗАО и СЗАО, а также As в САО, СВАО и ВАО в 1,4-2,3 раза. Во всех АО наметилась тенденция к снижению загрязнения Zn, Pb и Hg. По сравнению с 2007 г. в 2016 г. среднее содержание всех ТММ в почвах города уменьшилось или осталось неизменным, за исключением As. Концентрация БаП во всех округах, кроме ЮАО и ЮЗАО, уменьшилась в 4-8 раз. Наблюдаемое уменьшение содержания ТММ и БаП в почвах Москвы может быть обусловлено значительным сокращением выбросов от автотранспорта и промышленных источников. Однако говорить об улучшении экологической ситуации в Москве преждевременно, поскольку при ежегодном мониторинге городских почв такие опасные ТММ как Sb, Mo, W, Cr, Bi не определяются. Пространственное распределение ТММ и БаП в почвах Москвы определяется в первую очередь количеством и геохимической специализацией источников загрязнения, которые сильно различаются по административным округам. Центральный, Восточный, Юго-Восточный округа лидируют по загрязнению Cu и Pb, особенно в щелочных почвах. Центральный и Юго-Восточный округа выделяются по загрязнению Hg, также наиболее выраженному в щелочных почвах. Центральный, Северо-Восточный, Юго-Восточный и Южный округа наиболее загрязнены Zn, количество которого увеличивается с ростом рН, и Cd, который интенсивно аккумулируется в органическом веществе. Почвы тяжелого гранулометрического состава в Юго-Восточном, Южном и Юго-Западном округах наиболее сильно обогащены Ni. Северо-Восточный, Юго-Восточный и Западный округа отличаются высокими концентрациями As, особенно в почвах легкого грансостава с высоким содержанием органического вещества. По содержанию БаП лидирует Восточный округ, за ним следуют Центральный, Северо-Восточный и Юго-Восточный. Содержание поллютантов в почвах разных ФЗ различается слабо. Частота превышения гигиенических нормативов к 2016 г. уменьшилась. В транспортной зоне она стала меньше на 3 %, в основном за счет Zn, Pb и БаП. Наибольший антропогенный пресс испытывают транспортные зоны ЦАО и ВАО, наименьший - ЮАО. Количество загрязненных Cu - Zn - Pb - БаП точек в селитебной зоне уменьшилось на 15 %, наиболее загрязнены почвы ЦАО, ВАО, ЮВАО, ЗАО, наименее - ЮАО. Экологическая ситуация в рекреационной зоне также несколько улучшилась за счет уменьшения на 3 % частоты превышений ПДК/ОДК Zn и БаП. Наиболее чистые рекреационные территории в СЗАО и ЗАО, наиболее загрязненные - в ЦАО, САО и ВАО. В промышленной зоне частота превышения нормативов сократилась на 13 %. Основными загрязнителями являются Zn, Pb и БаП с максимальным содержанием в промзонах СВАО, ВАО, ЮВАО и САО. Превышения ПДК максимальны для БаП, однако их кратность за 10-летний период снизилась более чем в 100 раз. В последнее десятилетие в Москве увеличились объемы работ по санации почв с ликвидацией неорганизованных свалок, озеленением территории города и заменой/рекультивацией поверхностного слоя почв. Однако, как показали наши исследования, использование торфо-песчаных смесей, обогащенных органическим веществом, приводит к ускоренному накоплению в городских почвах многих ТММ, особенно Cd, Cu, As, Ni, Hg. Повышенная аккумулирующая способность рекультивационных смесей на основе песка и торфа отчетливо проявилась у Pb, Zn и БаП, содержание которых в 2016 г. обнаружило тенденцию к повышению в почвах с легким гранулометрическим составом, обусловленным внесением торфо-песчаных смесей. Это делает необходимым оптимизацию состава рекультивационных материалов.

Об авторах

Наталья Евгеньевна Кошелева

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: natalk@mail.ru

доктор географических наук, ведущий научный сотрудник кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Российская Федерация, 119991, Москва, ул. Ленинские горы, 1

Анжела Гаджикеримовна Цыхман

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: angelagadjikerimova@mail.ru

магистр кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

Российская Федерация, 119991, Москва, ул. Ленинские горы, 1

Список литературы