Введение

Быстрый рост населения мира увеличивает спрос на продукты питания. Это означает необходимость надлежащего и рационального использования имеющихся земельных ресурсов. Использование различных пестицидов и минеральных удобрений в процессе интенсивного земледелия привели к загрязнению почвы различными вредными химическими веществами, включая тяжелые металлы.

Сегодня автомобили также являются причиной увеличения выбросов тяжелых металлов в почву в результате транспортной деятельности. К основным тяжелым металлам относятся свинец, ртуть, кадмий, медь, никель, хром, среди которых свинец является наиболее вредным. Загрязнение почвы транспортными отходами происходит постепенно, в зависимости от количества транспортных средств, проезжающих по дорогам, и продолжается некоторое время даже после прекращения движения.

На сегодняшний день на планете в результате развития отраслей промышленного производства возрастает загрязнение окружающей среды и почв различными вредными отходами. Данное загрязнение происходит по цепочке «воздух – почва – вода – растение – живой организм». В современную эпоху индустриального развития тяжелые металлы являются одной из основных групп загрязнителей почв [1–4].

Конференция ООН по окружающей среде в 1973 г. определила свинец, кадмий и ртуть как наиболее опасные токсичные элементы для окружающей среды. Позже к ним были добавлены такие элементы, как медь, олово, ванадий, хром, молибден, кобальт, никель, сурьма, мышьяк и селен [5–7].

В настоящее время тяжелые металлы по степени опасности делятся на три класса (чрезвычайно опасные, умеренно опасные и менее опасные элементы). К первому классу относятся мышьяк, кадмий, ртуть, селен, свинец, цинк; ко второму классу – кобальт, никель, молибден, медь, сурьма; а к третьему классу – барий, ванадий, вольфрам, марганец и стронций [7].

Согласно источникам, свинец, кадмий, ртуть и мышьяк являются токсичными элементами, которые не выполняют никаких важных биологических функций, хотя они всегда присутствуют в тканях растений, животных и человека [5, 7].

По результатам наблюдений, за сутки по этой дороге проезжает от 28 408 до 30 364 транспортных средств. Из них от 23 223 до 24 436 – легковые автомобили, а 5185–5928 – грузовые автомобили. Выбросы от этих транспортных средств оказывают специфическое негативное воздействие на почву и растительность вокруг дороги. Загрязнение почв, распространенных вдоль магистральных автомобильных дорог, различными вредными химическими соединениями, включая тяжелые металлы, в основном связано с выбросами, выделяющимися в процессе сгорания автомобильного топлива, износа шин и торможения [8, 9].

Загрязнение тяжелыми металлами различных почв вокруг автомагистралей в Узбекистане было изучено, например, в работах [10, 11]. Однако научных исследований в этой области недостаточно.

Цель исследования – изучение вляния автомобильных дорог на содержание тяжелых металлов в почве.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования являютcя орошаемые лугово-сероземные почвы и тяжелые металлы, выделяемые автотранспортом.

М-39 Ташкент – Термез является одной из основных магистралей, которая проходит через Сырдарьинскую область Узбекистана.

Согласно многолетним данным Сырдарьинской региональной зональной гидрометеорологической станции, температура воздуха в регионе превышает 10 °C преимущественно с апреля по октябрь. Температура воздуха влияет на различные биологические, химические и физико-химические процессы в почве. Повышение температуры почвы увеличивает количество питательных веществ, необходимых для растений, за счет повышения активности полезных микроорганизмов. При этом наряду с макроэлементами, необходимыми для растений в почве, увеличивается и количество подвижных тяжелых металлов. Это оказывает специфическое воздействие на загрязнение почв региона.

Сырдарьинский регион расположен в зоне сильных ветровых движений, регион находится под сильным влиянием северных и восточных (Бекабадский район) ветров. Ветер в регионе дует преимущественно с востока в мае-июне. Средняя скорость ветра составляет 3,2 м/с [12]. Среднегодовой ветровой режим следующий: С – 11 %, СВ – 9 %, B – 20 %, ЮВ – 9 %, Ю – 15 %, ЮЗ – 8 %, З – 14 %, СЗ – 14 % (рис. 1).

Ветровой режим региона также играет значительную роль в загрязнении почвы. Наиболее частые восточные (20 %) ветры вызывают распространение автомобильных выбросов с трассы М39 Ташкент – Термез на западную сторону дороги. В результате увеличивается загрязнение почв на западной стороне трассы различными выбросами, включая тяжелые металлы.

Рис. 1. График «Роза ветров» Примечание: составлен авторами на основе источника [13]

Исследуемая территория расположена в Туранской почвенно-климатической зоне и характеризуется разнообразием почвенного покрова. В регионе широко распространены гидроморфные и полугидроморфные почвы [12]. Исследованные участки, расположенные вдоль трассы М-39 Ташкент – Термез, в основном покрыты орошаемыми луговыми почвами. Растительность этого района чрезвычайно разнообразна, здесь произрастают различные растения, такие как ромашка, подбел, мак, пырей ползучий, солодка, тростник, верблюжья колючка, полынь, тамариск, эфемерные и эфемероидные растения. Также встречается множество видов кустарников и деревьев.

Рис. 2. Карта и спутниковые снимки исследуемой территории Методы отбора и анализа почвы Примечание: разработан Н. Умаровым в ArcGIS

На орошаемых почвах выращивают хлопок, пшеницу, рис, кукурузу и другие культуры.

Выбор участков основывался на почвенной карте региона масштаба 1:10000. Один из выбранных участков располагался справа (массив У. Насира Акалтынского района) от автомагистрали Ташкент – Термез, а три – слева (рис. 2). Пробы почвы с выбранных полей отбирались каждые 5 м от автомагистрали до 100 м, каждые 10 м до 200 м, каждые 25 м до 300 м, каждые 50 м до 500 м и каждые 100 м до 1000 м. Пробы перемешивались методом конвертов и усреднялись. Вес каждой усредненной пробы составлял 1000 г.

В общей сложности было отобрано 344 образца почвы из верхнего и нижнего слоев (0–30 и 30–50 см). Кроме того, был выбран участок, типичный для этих почв и не подверженный воздействию тяжелых металлов, в 20 км от автомагистрали. Этот участок служил фоном для изучаемых сероземно-луговых почв. Также на исследуемых полях на расстоянии 75–80 м от автомагистрали были заложены 4 почвенных разреза. Проводилось описание разрезов. Из каждого слоя были отобраны образцы почвы. Образцы были подготовлены к анализу, были проведены соответствующие анализы.

В лабораторных условиях определяли гранулометрический состав почвы пипеточным методом Качинского; гумус – методом Тюрина; общий NРК – методом Мальцевой – Гриценко в одном образце; N–NО3 – методом Грандвальда – Ляджу; N–NH4 – реактивом Несслера; подвижный фосфор – методом Мачигина; обменный калий – методом Мачигина – Протасова в пламенном фотометре; реакцию почвенной среды (pH) – потенциометрическим методом; тяжелые металлы в составе почвы определяли методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой [14]; статистический анализ экспериментальных результатов проводили методом В. А. Доспехова [15].

Результаты исследования и их обсуждение

Проведенные исследования показывают, что содержание гумуса в верхнем пахотном слое составляет около 0,5–1,2 %, уменьшаясь к нижним слоям. Эти почвы очень бедны и плохо обеспечены необходимыми для растений общими и подвижными питательными веществами. Общее содержание азота в пахотном слое исследованных почв составляет 0,08–0,15 %, фосфора – 0,07–0,014 %, а калия – 1,2–2,1 %. Почвы бедны подвижными питательными веществами: содержание подвижного фосфора составляет 8–40 мг/кг, а калия – 170–280 мг/кг. По механическому составу почвы классифицируются как легкие и средние суглинки. Грунтовые воды залегают на глубине 3–4 м и периодически поднимаются. На некоторых полях наблюдается эрозия, вызванная орошением.

Анализ показал, что отходы, образующиеся в результате эксплуатации автомагистрали Ташкент – Термез, оказали влияние на содержание тяжелых металлов в серых луговых почвах, распространенных в этом районе. Распределение тяжелых металлов в этих почвах зависит от расстояния автомагистрали, направления ветра, гранулометрического состава почвы и ряда других факторов. Согласно исследованию, автомобильные отходы оказали специфическое влияние на содержание меди в орошаемых луговых почвах (рис. 3).

Содержание общей меди в исследованных орошаемых луговых почвах постепенно увеличивалось до расстояния 20–25 м от автомагистрали, а максимальное значение было определено на участке 4. Содержание общей меди в образцах почвы, взятых на расстоянии 25 м от автомагистрали, составило 108,0 мг/кг. Этот показатель в 1,96 раза выше допустимого предела содержания меди (55 мг/кг) и в 2,84 раза выше фонового показателя (38 мг/кг).

Рис. 3. Общее содержание меди Примечание: составлен авторами по результатам исследования

Рис. 4. Общее содержание свинца Примечание: составлен авторами по результатам исследования

Содержание меди превышало 80 мг/кг на всех исследованных полях на расстоянии 30–40 м от автомагистрали. То есть количество меди в образцах почвы, взятых со всех полей на этих расстояниях, примерно в 1,5 раза превышает ПДК, а фоновый показатель более чем в 2 раза. Почвы, содержащие 60 мг/кг и более меди, были зафиксированы на всех полях на расстоянии 150 м. Почвы с содержанием меди менее ПДК (то есть 55 мг/кг) начинаются на расстоянии 200 м на поле 1 и 250 м на полях 3 и 4. Почвы с содержанием меди 40 мг/кг и более встречаются на расстоянии 600–650 м на первом поле и до 700–750 м на остальных полях. На указанных расстояниях концентрация меди в почве на всех участках, кроме участка 4, была ниже фонового уровня (38 мг/кг) (рис. 3).

Общее содержание свинца в почвах, расположенных вдоль автомагистрали Ташкент – Термез, также подвергалось влиянию автомобильных выбросов. Общее содержание свинца, как и меди, постепенно увеличивалось на расстоянии до 25–30 м от автомагистрали. Максимальное общее содержание свинца на исследуемых участках было зафиксировано на участке 4 на расстоянии 25 м от автомагистраля и составило 96,4 мг/кг. Этот показатель в 3 раза выше допустимого содержания свинца и в 6,4 раза выше фонового показателя (рис. 4).

Установлено, что общее содержание свинца в почве исследуемых полей на расстоянии до 50 м от автомагистраля составляет более 50 мг на 1 кг почвы. То есть общее количество свинца на всех участках до указанного расстояния в 2,3 раза выше ПДК и в 5 раз выше фонового уровня. Почвы, содержащие 40 мг/кг и более свинца, были обнаружены на расстоянии 150–175 м на всех исследуемых полях. Почвы, содержащие 30 мг/кг и более свинца, были зафиксированы на расстоянии до 300 м на участке 1, 250 м на участке 2 и 350 м на участке 3 и 4. На расстоянии от 300 м от автомагистрали количество свинца на всех участках было меньше допустимого предела (32 мг/кг). На расстоянии 400 м на поле 2, 500 м на участке 1 и 600 м на участке 3 и 4 количество общего содержания свинца равно фоновому уровню. На этих расстояниях на некоторых из них были обнаружены количества свинца, меньшие, чем фоновый индикатор (рис. 4).

Анализ показал, что максимальное общее содержание цинка в исследованных почвах было зафиксировано на участке 4, в 20 м от автомагистрали, и составило 138,2 мг/кг (рис. 5). Этот показатель в 1,38 раза выше допустимого предела содержания цинка (100 мг/кг) и в 3 раза выше фонового показателя (45 мг/кг).

На участках 1 и 2 на расстоянии до 50 м от дороги были обнаружены почвы, содержащие 75–100 мг/кг цинка, а на участке 3 и 4 – на расстоянии до 75 м, тогда как на участке 1 почвы, содержащие 50–75 мг/кг цинка, были обнаружены на расстоянии 250 м, на участке 2 – на расстоянии 150 м, а на участке 3 и 4 – на расстоянии до 300 м.

На этом расстоянии содержание цинка во всех исследованных почвах было близко к фоновому значению или равно ему, а в некоторых случаях даже ниже.

При анализе влияния автомобильных выбросов на содержание никеля в почве было установлено, что на участке 4, в 5 м от автомагистрали, составило 98,5 мг/кг. На участке 1 содержание никеля оказалось выше допустимого предела (85 мг/кг) на расстоянии 40 м от дороги; на участке 3 содержание никеля оказалось выше допустимого предела на расстоянии до 40 м (рис. 5). Только на участке 2 содержание никеля было равно ПДК (85,2 мг/кг) на расстоянии 20 м. На остальных точках содержание никеля оказалось ниже ПДК.

Почвы, содержащие 50 мг/кг и более никеля, были обнаружены на расстоянии до 100 м на участке 1, 75 м на участке 2, 150 м на участке 3 и 200 м на участке 4. Почвы, содержащие 25–50 мг/кг никеля, были обнаружены только на расстоянии до 350 м на участке 2 и до 450 м на остальных участках.

Фоновое содержание никеля в этих почвах составляло 18 мг/кг. На исследованных полях оно было равно или меньше фонового значения, начиная с расстояния 500–600 м от дороги (рис. 6).

Рис. 5. Общее содержание цинка Примечание: составлен авторами по результатам исследования

Рис. 6. Общее содержание никеля Примечание: составлен авторами по результатам исследования

Именно поэтому почвы, расположенные на участке 4, расположенном справа от автомагистрали Ташкент – Термез, оказались более загрязнены тяжелыми металлами, чем другие участки. Основная причина этого – ветровой режим региона (рис. 1). Кроме ветрового режима на содержание тяжелых металлов оказывает гранулометрический состав почвы. Из остальных трех участков участок 2 оказался менее загрязненным. Основная причина этого заключается в том, что почвы этого участка имеют более легкий гранулометрический состав, чем почвы остальных участков. То есть меньшее количество глинистых частиц (частиц размером менее 0,01 мм) в верхних слоях почвы по сравнению с другими участками.

Также возможно, что количество гумуса в почве могло оказать специфическое влияние на загрязнение исследуемых почв тяжелыми металлами. Это связано с тем, что специфическое влияние количества гумуса в почве на распределение тяжелых металлов подчеркивалось в ряде литературных источников [16, 17].

Кроме того, на распределение тяжелых металлов в этом районе могли повлиять рельеф местности и местные дороги, а именно дороги, ведущие к населенным пунктам вокруг полей.

Заключение

Таким образом, орошаемые сероземно-луговые почвы, расположенные вдоль автомагистрали Ташкент – Термез, подвержены загрязнению тяжелыми металлами под воздействием выхлопных газов автотранспорта. Максимальное валовое содержание тяжелых металлов отмечается на расстоянии до 20–25 м от дороги, после чего их концентрация постепенно уменьшается. Почвы, расположенные с правой стороны автомагистрали Ташкент – Термез (по направлению движения из Ташкента в Термез), характеризуются более высоким содержанием тяжелых металлов, чем почвы на левой стороне. Основной причиной этого является ветровой режим региона: преобладающие восточные ветры переносят загрязняющие вещества в западном направлении, способствуя накоплению элементов в почве. На содержание тяжелых металлов также оказывают влияние гранулометрический состав и количество гумуса в почве, рельеф местности, а также наличие локальных дорог, ведущих к населенным пунктам, расположенным вокруг исследуемых полей.