Загрязнение почвы тяжелыми цветными металлами от промышленного источника металлургических пылей.

В.Ш. Баркан
Лапландский заповедник, 184505, Зеленый пер., 8
(815-36) 5-72-13, факс. (815-36) 5-71-99, e-mail: barcan.valery2010@yandex.ru

    Ландшафт и биота вокруг медно-никелевого комбината Североникель (Кольский полуостров, Россия) – точечного и практически единственного источника аэротехногенных выбросов, содержавших двуокись серы и тяжелые металлы (в основном никель и медь), испытывал в течение более чем 50 лет их влияние. Комбинат Североникель является одним из крупнейших в мире производителей никеля, и до недавнего времени был крупнейшим загрязнителем окружающей среды в Европе. Результаты изучения разнообразных аспектов этого загрязнения опубликованы довольно полно [Гуревич , 1966; Дончева, 1978; Дончева и др., 1992; Kozlov et.al., 1993; Lobersli and Venn, 1995; Tikkanen and Niemela, 1995; Reinmann et. al., 1996; Rees and Williams, 1997; Лукина и Никонов, 1995, 1996, 1998; Макарова и др., 1999; Smith-Silversten, Чащин и др., 1997; Алексеев , 1990; Норин и Ярмишко , 1990; Евдокимова, 1995; Экология и .., 1994; Kozlov and Barсan, 2000]. В наших предыдущих исследованиях был подтвержден высокий уровень накопления тяжелых цветных металлов в лесных подзолах в непосредственном соседстве с источником аэротехногенного загрязнения и невысокий темп вымывания тяжелых металлов из почвы [Barcan and Kovnatsky, 1998; Barcan, 2002].
    Начиная с 1998 г. комбинат Североникель изменил технологию, в частности прекратилась работа основного источника загрязняющих выбросов – цеха плавки медноникелевой руды и металлосодержащих оборотных материалов, что привело к резкому сокращению поступления серосодержащего газа и металлосодержащей пыли в атмосферу, и, соответственно на почву.
    Данная работа преследовала две цели: 1) оценить итоговый уровень накопления тяжелых цветных металлов лесными почвами в результате более, чем 50-летней деятельности комбината Североникель, и 2) очертить границы территории вокруг комбината, на которой накопление никеля и меди превышает региональный фон.

    Район исследований расположен в центре Кольского полуострова и может быть представлен квадратом примерно 100х100 км – рис. 1.
    Большая часть этой территории не заселена (примерно половина занята большим природным Лапландским заповедником), но в восточной части сосредоточены большие промышленные предприятия – медно-никелевый комбинат в Мончегорске, железная дорога от Мурманска до Петрозаводска (Санкт-Петербурга), федеральная дорога М-18 Мурманск-Петрозаводск, города Оленегорск и Апатиты [Макарова и др.,1999].
    The study site is situated on the border of the northern taiga and near-tundra forest zone. The landscape is very diverse and includes coniferous and mixed forests, maintain tundras, peat bogs and many lakes. The climate type is maritime subarctic, the number of days having the temperature more than 5 C is 109 – 130, the thermal sum during the vegetation period is 1300 C, the mean annual temperature is – 2 C, the mean temperature of Januare and July is - 14 to – 9 C respectively, mean temperature of the warm season (May – September) is 7.5 to 10.6 C, the annual sum of precipitations is 329 to 445 mm, the mean relative humidity is 72 to 81%, the mean wind velocity is 3.0 to 5.4 m|sec, the prevailing direction of winds is meridional (Yackovlev, 1961).
    The vegetation in the region is of the North European taiga zone type. Scots pine forest accounts for 40% of the area, spruce forest 30%, and open bogs 30. The main forest tree species are Pinus sylvestris and Picea abies var. obovata, and Betula pubescens and Populus tremula are found in all areas. The following forest vegetation types are predominant: Pinetum empetroso-cladinosum, Pinetum empetroso-cladinoso – hylocomiosum, Piceeto-Pinetum empetroso-mirtilloso – hylocomiosum, Pineto-Piceetum empetroso-mirtilloso – hylocomiosum and Piceetum empetroso-mirtilloso – hylocomiosum. The bog complexes are high dwarf-shrub Sphagnum-Rubus bogs and aapa [Payanskaya-Gvozdeva, 1990].
    The predominant forest soil type is illuvial humus-ferriferous podzol, with a thick organic horizon (Ao), a rather shallow profile (30-60 cm), and very clear differentiation of the soil horizons. [Belov and Baranovskaya, 1969].

    Особенностью изучаемой территории является наличие большого источника аэротехногенных выбросов, единственного в районе – комбината Североникель, производящего никель и медь из сульфидного сырья [Позняков, 1993, 1999]. В течение десятков лет технология его головных переделов была стабильна и включала плавку рудного сырья, которая и была основным источником выбросов в атмосферу металлосодержащей пыли и сернистого газа. [Barcan, 2002]. В 1998 г. технология комбината Североникель кардинально изменилась, в частности изменился состав сырья и был остановлен головной плавильный цех, бывший десятки лет основным источником выбросов двуокиси серы и металлосодержащей пыли в атмосферу. Это незамедлительно уменьшило объем выбрасываемой двуокиси серы с 220 000 до 45 000 тонн в год, а выбросы металлов уменьшились вдвое [Состояние …, 2000; Barcan, 2002]. Процесс уменьшения выбросов продолжается, и началось возрождение природы [Anonimous …, 2004 - 2005]. 1998 год может считаться датой начала возрождения экосистем вокруг комбината Североникель.

    Точки опробования, в отличие от практически всех предыдущих исследований, размещались не вдоль меридиональных трансект, а по площади с использованием таблицы случайных чисел. Пробы гумусового горизонта Ао лесных подзолов были отобраны в основном с лесного плакора,– горы, болота и другие неудобные земли – были исключены из опробования. Реальная площадь опробования составила 2000 – 2500 км2, количество почвенных профилей было 335, в среднем 1 профиль на 7.5 км2. Почвенные пробы составлялись из трех прикопок, сделанных по треугольнику в каждой точке опробования.
    Валовое содержание металлов в почвенных пробах определяли после экстракции металлов царской водкой. Общая концентрация металлов из вытяжки определялась: Ni, Cu, Co, Fe и Pb на пламенном атомно-абсорбционном спектрометре Perkin Elmer 3030B; Cr, Mn, Sr на эмиссионном спектрометре AtomScan 25 (Thermo Jarrel Ash); Cd и As на спектрометре Perkin Elmer 3030B с использованием графитовой кюветы. В качестве стандартных применяли колориметрические методы для никеля – с диметилглиоксимом, для меди - с диэтилдитиокарбаматом свинца [Hillebrand and Lundell, 1953; Sandell, 1959].
    Территория опробования была условно разделена на 16 секторов с центром, совпадающим с расположением комбината Североникель. Были изображены графически зависимости содержания никеля и меди в почве от расстояния до источника выбросов в каждом из 16 секторов, рассчитаны соответствующие коэффициенты корреляции. В каждом секторе были рассчитаны расстояния от источника выбросов до точек перелома кривых – выхода кривых на асимптоту. В результате соединения прямыми этих точек получены приблизительные очертания загрязненной территории.

    Морфологические описания типичных почвенных профилей приведены ниже.
Мощность почвенных горизонтов выражена в см.

№ 417 – 67° 46' 00" – 32° 07' 00". Водораздел Чуна – Нявка (около бывшего лесоучастка)
Сосновый бор с примесью ели и березы. Эпифитные лишайники пучками и короткими бородами почти на всю высоту сосен. На почве – брусника и вороника, зеленые мхи, в основном Pleurozium schrebery.
Аот – 5-7 см, слой угля, А2 – 2-3 см карманами, В-ВС – до 50 см признаков гор. С нет

№ 35 – 67° 43' 50" – 32° 33' 30". Исток р. Курки, около избушки. Ельник – черничник старый, в плохом состоянии.
Ао – 13, А2 – 2-3 языками, В – 10, ВС – 5, далее гор С

№ 12 – 68° 02' 30" – 32° 51' 00". Бывший л/у Пивнус. Сосняк на болоте.
Ао – 13, А2 – нет, В – 15, ВС – 15, далее гор С

№ 25 – 67° 53' 00" – 32° 37' 00". Левый берег Сейд-озера, под скалой. Ельник-черничник старый.
Ао- 7-8 см, А2 – 2-3 и языки глубже, В – 18-20, ВС – 40

№ № 30 – 67° 40' 57" – 32° 39' 00", 40 – 67° 40' 58" – 32° 39' 00", 41 – 67° 42' 00" – 32° 39'15". Просека от Ель-явра на Кензис. Ельник – черничник старый, расстроенный.
Ао – 12, 10-12,5; A2 – 8-12, 7-10, 3-5; В – 30, 5, 20
ВС – ортштейн, 20, 5 (ортштейн); С – вода, песок

№ 50 – 67° 43' 30" – 32° 32' 17". Ягельный бор сосновый. Ао – 3-4, А2 – 5, В – 10-12, ВС – 25, С – чистый желтый песок

№ 54 – 68° 03' 25" – 32° 35' 05". Кордон Красная Ламбина. Молодой сосняк-брусничник, песок, много булыжника.
Ао – 6-8, А2 – 3-8 языками, В – 10-12, ,ВС-1 – 15, ВС- 2 - 15

№ 60-а - 68° 03' 30" – 32° 07' 10"
К западу от оз. Сигового. Старый ельник с березой. Песок, примесь глины, камней мало, грунт сырой.
Ао – 6; А2 – 5-10; В – 15; ВС1 – 10; ВС2 – 15; С – вода

№ 65 - 67° 59' 35" – 31° 56' 00"
Левый берег р. Нявки у зашейка. Могучий старый ельник-черничник. Стволы и ветви покрыты эпифитными лишайниками, опушены бородами. Грунт каменистый.
Ао – 15, А2 – 13, В - твердый темно-коричневый, сплошь камень

№ 69 - 67° 53' 30" – 31° 53' 00"
Устье р. Нявки, вершина Парусной Ламбины, правый берег. Молодой послепожарный сосняк с березой. На почве – ягель, черника,брусника.
Ао – 5, А2 – 6-7, В – 20-25 – плотный песок с большим количеством крупной гальки, ниже чистый плотный песок, ВС1 – 15, ВС2 – 15, С – серый светлый песок

№ 79 – 67° 48' 00" – 32° 12' 00"
Близ ручьев Нижний Сылп-уай и Курбыш-уай. Редкий старый сосняк-черничник по старой гари.
В почве булыжников больше, чем песка.
Ао – 5-6, А2 – 5-10, В – 15, ВС1 – 15, ВС2 – 15 и т.д.

№ 90 – 67° 53' 30" – 33° 04' 00"
Бобровая губа оз. Имандра. Сосняк средневозрастный с елью и березой. На почве пышный брусничник и черничник с примесью голубики и с багульником.
Ао – 10-16, А2 – 7-8, ниже подзола плотный красно-коричневый слой – ортштейн, мелкая галька с песком, В1 – 15, В2 – 15 и т.д , до гор. С не дошел

№ 99 – 68° 08' 45" – 32° 33' 00"
Оз. В. Волчье, нижний конец, правый берег. Сосняк-жердняк с березой. На почве брусника с бокальчатыми послепожарными лишайниками.
Ао - 7, А2 – 5-7, В – 10-15, ВС – 7-8, С

№ 111 – 67° 40' 40" – 31° 59' 00"
Мыс под гор. Нявчик. Молодой сосняк с березой после гари и рубки. На почве пышная голубика, брусника и черника, багульник.
Ао – 8-10, А2 – 10-15, В – 10-12, ВС – 20, С – серый песок
В профиле много булыжников

№ 122 – 67° 31' 00" – 32° 31' 00"
Северный берег Чунозера к западу от узкого места. Ельник – черничник с плевроциумом.
Ао – 7-10, А2 – 5, В – 15-20, ВС – 15, С – серо-коричневый крупный песок, глубоко идут охристые пятна

№ 126 – 67° 41' 30" – 32° 16' 30"
Водораздел Чуна-Охта по линии к югу от Кокоринской избы. Бор-беломошник спелый на старом пожарище. На почве – вороника, вереск и плевроциум. На деревьях – эпифитные лишайники, даже короткие бородки.
Ао – 11-12, слой угля, А2 – 5-10, В – 20, ВС1 – 15, ВС2 – 15, С – сизый оглеенный песок

№ 136 – 67° 31' 00" – 32° 21' 00"
По Ленинградской дорогой, около Широкой Салмы. Молодой ельник после рубки леса. На почве брусника, черника, багульник, ягельные лишайники.
Ао – 5-10, А2 – 5-12, В – 20-25, ВС – 20, С – сплошь булыжники

№ 149 – 67° 41' 00" – 32° 54' 33"
Долина р. Курки ниже дороги СПБ – Мурманск. Береза-ольха-осина, отдельные ели; старая гарь. На почве черника, вороника, плауны. Эпифитов на деревьях и плевроциума на почве нет.
Ао – 3-5, А2 - 4-5, В- 12-15, ВС – 12, С – серо-сизый песок

№ 159 – 67° 48' 35" – 32° 59' 10"
Сучья губа оз. Имандра, восточный берег. Средневозрастной ельник с березой в плохом состоянии. На почве вороника и багульник, зеленых мхов нет.
Ао – 5-7, А2 – 5, В – 7, ВС- 20, С – сизый песок с галькой. По всему почвенному профилю очень много булыжников, почва тяжелая, мажется.

№ 172 - 67° 39' 30" – 32° 57' 00"
Середина южного берега Кислой губы. Старый ельник с березой. На почве пышная черника, зеленые мхи редко. А'от – 7, А''от – 7, А2 – 5-12, В – 10-14 неровно, неярко, ВС – 12, С – сизый песок без оглеения

№ 185 – 67° 57' 10" – 33° 20' 20"
Устье реки Малая Куна, левый берег. Молодой сосняк брусничный ягельный с березой, на березах немного эпифитов. На почве много зеленых мхов.
Ао – 10, А2 – 1-2, В – 15, ВС – 10, С – светло-серый песок с камнями

    Приведенная выше информация о морфологии лесных почв региона показывает, что они являются вариациями типичных Кольских подзолов с неглубоким почвенным профилем и четкой дифференциацией горизонтов. На графиках (рисунки 2 -17) показаны зависимости содержания никеля и меди в верхнем почвенном горизонте Ао от расстояния между точкой опробования и источником выбросов, по 16 секторам. Почти все зависимости имеют высокий коэффициент корреляции – 0.75 – 0.95, наивысший в секторах 226° - 292°, это соответствует направлению преобладающих ветров региона – рис. 1. Это же графически подтверждают развертки max и min значений концентраций Ni и Cu в почве по 16 секторам - таблица 2 и рис. 18.

Номера секторов, зона, градусы	Перелом кривой – расстояние от источника выбросов, km
I–0-22	60
II–23-45	50
III–46-67	29
IV-68-90	22
V-91-112	20
VI-113-135	20
VII-136-157	40
VIII-158-180	40
IX-181-202	60
X-203-225	60
XI-226-247	35
XII-247-270	35
XIII-271-292	40
XIV-293-315	36
XV-316-337	40
XVI-338-360	40

График на Рис. 1 схематически представляет конфигурацию территории, загрязненной никелем и медью свыше регионального фона.
Зависимости содержания других металлов в верхнем горизонте почвы (Ао) от расстояния между точкой опробования и источником выбросов описаны ниже.
Кобальт.
Кадмий, хром, свинец, стронций, марганец, мышьяк и железо.
Серебро.

Полученные в работе данные подтвердили закономерную зависимость концентрации никеля и меди в горизонте Ао лесных железистых подзолов от расстояния до точечного источника аэротехногенных выбросов. В соответствии с розой ветров и особенностью рельефа максимальное накопление в почве никеля и меди найдено в секторах, расположенных к северу и к югу от источника выбросов – таблица 2 и рис. 18. На рисунке 1 схематично изображена (заштрихована) зона, в которой содержание никеля и меди в горизонте Ао превышает региональный фон. Подтверждено, как это было показано в предыдущих исследованиях, что загрязненная зона вытянута с севера на юг на 120 км, и показано, что она занимает площадь около 450 км².