Лабораторная работа 8 Численные показатели и графическая характеристика загрязнения почв тяжелыми металлами и другими химическими элементами

Цель работы: научиться оценивать степень загрязнения почв тяжелыми металлами и другими химическими элементами с помощью принятых в экологической геохимии количественных по­казателей и наглядных графиков, а также делать обоснованные за­ключения о характере и экологической опасности выявленного за­грязнения.

Задачи:

• определить круг геохимических элементов - загрязнителей почв, уровни их накопления (коэффициенты концентрации) по сравнению с незагрязненными почвами;

• сравнить содержания элементов в изученных почвах с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) либо ориентировочно допустимыми концентрациями (ОДК); вычислить коэффициенты концентрации по отношению к ПДК/ОДК (К_ПДК);

• рассчитать суммарные показатели загрязнения почв (Zc) экологически опасными химическими элементами различных классов опасности;

• выписать формулу ассоциации элементов, накапливающихся в данной техногенной почвенной аномалии;

• графически изобразить характер загрязнения почвы в виде геохимического спектра;

• на основе перечисленных выше количественных показателей и графика сделать заключение о характере, уровне и экологической опасности загрязнения почв данного локального участка.

Общие сведения. Нормальный естественный уровень содержания элемента в почвах характеризуется среднефоновым содержанием С_ф, которое отвечает типичному среднему уровню содержаний элемента в поч­вах соответствующего типа в изучаемом районе за пределами участ­ков существенного техногенного и (или) природного загрязнения. При отсутствии данных по конкретному району работ в качестве С_ф берут среднее содержание элемента в почвах мира (кларк почв С_к).

Чтобы оценить, является содержание элемента в исследуе­мой почве нормальным (фоновым или околофоновым), избыточным (выше среднефонового) или дефицитным (ниже среднефонового), используется коэффициент концентрации - численный показатель, вычисляемый как отношение содержания элемента в данной точке (либо среднего содержания в пределах локального участка) к среднефоновому содержанию:

Если элемент загрязняет почву, накапливаясь в ней, то Кс>1. Чтобы быть установить превышение нормально­го фонового также необходимо рассчитать минимально аномальное значение Кс_та. Эта величина определяется погрешностью определения среднего содержания элемента, складывающейся из погрешностей опробования в связи с микронеоднородностями распределения элемента в почве, а также погрешностями подготовки проб к анализу и их анализа. Если в ка­честве среднего содержания взято среднее геометрическое или ме­дианное значение, а погрешность геохимической съемки охаракте­ризована стандартным множителем ε_погр, который является антило­гарифмом среднеквадратической погрешности логарифмов опреде­ляемых содержаний, то с доверительной вероятностью более 99%

где т - количество проб, по результатам анализа которых определе­но среднее содержание С для данной площадки опробования. В том случае, если Кс ≥ К_{C ma}, можно быть уверенным, что факт накопле­ния химического элемента в почве установлен статистически на­дежно. В том случае, когда Кс ≤ 1/К_{С та}, статистически надежно ус­тановлен дефицит элемента по сравнению с нормальным уровнем. Если же 1/К_{С ma} ≤ К_С ≤ К_{C ma}, то можно утверждать, что содержание элемента в пределах данной площадки опробования от фонового отличается несущественно (статистически незначимо). Обычно ве­личина погрешности геохимической съемки рассчитывается по ре­зультатам двукратного (первичного и повторного) опробования в ряде точек съемки. В тех случаях, когда конкретная величина не определялась, численное значение предельной допустимой погрешности геохимической съемки принимают равным 1,80.

По содержаниям тех элементов, для которых имеются уста­новленные значения ПДК или ОДК, вычисляются также значения коэффициентов концентрации по ПДК (ОДК):

где в качестве допустимой концентрации С_ДК используется значение ПДК или, при его отсутствии, ОДК. Почвы можно считать незагрязненными или в допустимых пределах загрязненными данным эле­ментом, если для него К_ПДК ≤ 1

Суммарный показатель загрязнения почв Z_С характеризует надфоновое накопление группы химических элементов:

где п - количество элементов, коэффициенты концентрации которых суммируются. При этом в расчет суммы вовлекаются Кс только тех элементов, для которых факт превышения фонового содержания ус­тановлен статистически надежно, т.е. Кс ≥ Кс _та. Суммарный пока­затель загрязнения обычно вычисляют по всем тем элементам, опре­делявшимся в почвах, которые отнесены к первому, второму или третьему классам опасности, либо отдельные значения суммарных показателей по группам элементов соответствующих классов опасности:

1 класс (чрезвычайно опасные элементы): Hg, Pb, Zn, Cd, As, Se,F;

2 класс (высоко опасные): Си, Ni, Co, Cr, Mo, Sb, В;

3 класс (умеренно опасные): Mn, V, W, Sr, Ba.

Накопление остальных элементов в почве оценивается как менее опасное загрязнение, и для них классы опасности не установ­лены.

Для характеристики элементного состава геохимических почвенных аномалий используют формулы ассоциаций элемен­тов-загрязнителей. В формулу включаются элементы с Кс ≥ Кс _та при этом выписываются символы аномально накапливающихся эле­ментов в порядке убывания их коэффициентов концентрации, чис­ленные значения, которых указываются в виде индексов. Символы элементов, содержания которых превышают ПДК (ОДК), выделяют жирным шрифтом или подчеркиванием. Например: Hg₅₆ – Pb₂₈ - Zn₁₃ - Cu_2.9 – Ni_1.8

Геохимический спектр позволяет отобразить элементный со­став выявленной техногенной почвенной аномалии в виде графика, на котором по горизонтальной оси откладываются символы химиче­ских элементов, желательно в порядке убывания их коэффициентов концентрации, а по вертикальной оси - соответствующие значения коэффициентов концентрации. При этом геохимический спектр включает Кс всех элементов, в том числе тех, содержания которых ниже фона, т.е. Кс < 1. При большом разбросе значений К_С разных элементов (например, от 0,1 до 100 и более) график получается бо­лее наглядным, если для вертикальной оси использовать логариф­мический масштаб. На графике следует также изображать соответ­ствующие уровни 1/К_{С ma} и К_{C ma} для элементов, что показывает об­ласть значений Кс, за пределами которой деконцентрирование (де­фицит) и концентрирование (избыток) каждого элемента в почве статистически значимы.

На основе рассмотренных выше показателей и геохимиче­ского спектра дается общее заключение о характере, уровне и эколо­гической опасности загрязнения почв изученного локального участ­ка в соответствии с принятыми критериями.

Порядок выполнения работы:

1. Используя полученные исходные данные по содержаниям элементов в пределах площадки геохимического опробования почвы, по содержанию каждого из химических элементов рассчитать коэффициент концентрации, а также его минимально аномальные значения.

2. По содержаниям тех элементов, для которых имеются установленные значения ПДК или ОДК, вычислить значения коэффициентов концентрации по ПДК (ОДК).

3. Вычислить суммарные показатели загрязнения почв (Z_C) экологически опасными химическими элементами. Рассчитываются четыре значения: по элементам 1-го, 2-го и 3-го классов опасности (Zc1, Zc2 и Zc3, соответственно) и по всем вместе взятым экологиче­ски опасным элементам (Z_C).

3. Выписать формулу ассоциации элементов - загрязнителей почвы на данном локальном участке.

4. Построить геохимический спектр изученной техногенной почвенной аномалии.

5. Дать краткое заключение о характере и интенсивности загрязнения почвы и степени его экологической опасности.

Лабораторную работу целесообразно выполнять на компью­тере с использованием программы Excel или других программ, по­зволяющих работать с электронными таблицами и строить графики.

Таблица 9

Критерии оценки загрязнения почв

Уровень загрязнения	Химические элементы
	КС	КПДК/ОДК			ZC
		Класс опасности
		1	2	3
Минимальный (либо загрязнение отсутствует)	<4	<1	<1	<1	<8
Низкий (слабый)	4-8	1-1,5	1-2,5	1-5	8-16
Средний (умеренный)	8-16	1,5-2,5	2,5-5	5-10	16-32
Высокий (сильный)	16-32	2,5-3	5-10	10-20	32-128
Очень высокий (чрезвычайно сильный)	>32	>3	>10	>20	>128

Таблица 10

Предельно допустимые (ПДК), ориентировочно допустимые (ОДК)

концентрации элементов в почвах и кларки почв (С_К)

№№ п/п	элемент	Класс опасности	Группа почв	Величина ОДК (мг/кг) с учетом фона (кларка)	Кларки почв СК, мг/кг по Виноградову А.П.
1	Медь	2	а) песчаные и супесчаные б) кислые (суглинистые и глинистые), рН KСl<5,5 в) близкие к нейтральным, нейтральные (суглинистые и глинистые), рН KСl>5,5	33 66 132	20
2	Мышьяк	1	а) песчаные и супесчаные б) кислые (суглинистые и глинистые), рН KСl<5,5 в) близкие к нейтральным, нейтральные (суглинистые и глинистые), рН KСl>5,5	2 5 10	5
3	Никель	2	а) песчаные и супесчаные б) кислые (суглинистые и глинистые), рН KСl<5,5 в) близкие к нейтральным, нейтральные (суглинистые и глинистые), рН KСl>5,5	20 40 80	40
4	Свинец	1	а) песчаные и супесчаные б) кислые (суглинистые и глинистые), рН KСl<5,5 в) близкие к нейтральным, нейтральные (суглинистые и глинистые), рН KСl>5,5	32 65 130	10
5	Цинк	1	а) песчаные и супесчаные б) кислые (суглинистые и глинистые), рН KСl<5,5 в) близкие к нейтральным, нейтральные (суглинистые и глинистые), рН KСl>5,5	55 110 220	50
6	галий		-	-	30
7	рубидий		-	-	100
8	бром		-	-	5
9	стронций	3	-	-	300
10	иттрий		-	-	50
11	цирконий		-	-	300

Варианты.

1. Разрез заложен в 100 м на юго-восток от авандюны на дефляционно-аккумулятивной равнине (пальве) в сосново-березовом лесу. Почва: подзолистая (мелкоподзолистая) с укороченным профилем на перевеянных морских песках (эоловых песках).

2. Разрез заложен в Городском лесу в 2 км от пос. Космодемьянского. Рельеф – повышение. Почва: поверхностно-подзолистая иллювиально-гумусово-железистая песчаная на древнеаллювиально-морских песках.

3. разрез заложен во Взморском лесу в 1 км к северу от пос. Волочаевское. Рельеф: выровненный участок. Почва: перегнойно-подзолистая иллювиально-гумусовая глееватая на древнеаллювиальных песках.

4. Разрез заложен в Светлогорском лесу в 1,1 км к северо-западу от пос. Лесенково. Рельеф – холмистая равнина, пологий склон. Почва: дерново-слабоподзолистая супесчаная иллювиально-железистая глееватая на водно-ледниковых песках.

5. Разрез заложен в 2 км к востоку от о.п. Рябиновка. Рельеф: выположенный участок на периферии заболоченного понижения. Почва: перегнойно-слабоподзолистая глееватая на водно-ледниковых супесях.

6. Разрез заложен на холмистой равнине, на плоской вершине невысокого холма. Почва: дерново-подзолистая окультуренная легкосуглинистая на моренных валунных суглинках.

7. Разрез заложен на волнистой равнине в 300 м к северу от о.п. Каштановка. Почва:дерново-слабоподзолистая окультуренная осушенная глееватая легкосуглинистая на моренных суглинках.

8. Разрез заложен на холмистой равнине к востоку от пос. Заостровье. Мезорельеф - осушенное межхолмное понижение. Почва: дерново-подзолистая осушенная окультуренная глееватая легкосуглинистая на водно-ледниковых суглинках.

9. Разрез заложен в лесу Длинном на волнистой моренной равнине. Рельеф – понижение. Почва: перегонойно-подзолистая иллювиально-гумусовая глеевая на водно-ледниковых супесях суглинках.

10. Разрез заложен в 2,5 км к северу от пос. Романово на г. Прудная (51 м над у.м.). почва: бурая, лесная легкосуглинистая на моренных валунных суглинках.

Вариант	Горизонт и глубина залегания, см	рНКCl	Содержание микроэлементов в почве, мг/кг (абс. сух)
			Ni	Cu	Zn	Ga	As	Br	Pb	Rb	Sr	Y	Zr
1	А1А2 8-12	4,8	13	9	9	-	-	-	-	16	27	8	64
	В 12-27	6,7	25	8	16	12	-	-	14	23	47	14	57
	С 40-90	7	16	7	17	4	-	-	7	27	42	12	49
2	А0А1 1-4	3,2	27	39	91	-	11	10	55	29	60	11	84
	А1А2 4-15	3,5	15	5	10	-	-	-	9	36	49	7	59
	Bfh 15-24	4,1	14	9	17	-	-	9	11	39	44	10	107
3	Ат 3-9(12)	3,5	5	12	13	4	6	8	21	43	54	11	123
	В1 27-42	4,6	6	8	13	-	-	9	5	44	50	11	101
	ВС 61-91	5,0	-	6	10	-	-	-	2	50	51	9	92
4	А1 4-14	3,1	10	13	25	5	4	6	11	40	35	9	142
	А1B 26-41	3,9	2	11	10	4	-	6	5	51	40	6	133
	Bfh 41-78	4,3	6	13	10	8	-	12	4	56	58	7	99
5	Ат 4-12	2,8	6	13	20	6	7	16	70	28	31	8	95
	Bh 18-26	3,5	13	16	36	12	6	11	16	78	59	14	352
	В 26-60	4,1	16	18	45	11	8	2	2	81	60	15	320
6	А1П 0-20	6,5	24	20	53	11	-	4	18	82	71	20	286
	В1 30-47	6,5	23	7	50	15	5	-	14	87	69	19	266
	С 110-130	4,0	14	8	29	7	-	-	7	61	55	14	197
7	А1 0-25	3,8	10	20	59	9	6	5	7	93	74	26	349
	АВ 25-45	4,0	8	14	55	8	6	-	6	98	72	18	382
	В 40-63	4,2	19	14	53	10	-	-	-	108	82	22	36
8	А1 0-30	4,8	17	19	43	15	-	9	10	97	74	22	351
	A2g 30-45	4,0	23	21	54	20	11	4	-	106	68	26	392
	Вg 45-75	3,7	40	27	75	19	4	-	-	135	101	29	314
9	А1 17-27	3,0	-	12	6	-	-	-	18	28	35	10	242
	Bh 35-44	3,3	10	15	24	5	-	5	-	54	45	11	343
	Bfh 44-53	3,7	14	12	21	9	-	6	-	68	60	14	356
10	A1 2-10	3,5	23	16	48	7	-	5	23	91	79	16	256
	B1 10-40	3,9	22	17	42	15	5	7	13	105	84	17	293
	B3 61-80	3,9	38	30	54	14	5	-	10	97	91	20	263