文摘
结果21-year-long(1989 - 2010)的观测浓度和九个重金属元素的空间分布模式(HMs)在莫斯科东部地区的表层土。土壤污染的量化参数包括HM的年增幅率集中在几个土地利用区。地球化学异常的地图编译使用收集的数据,1989年,2005年和2010年。总量的增长的工业和汽车排放在1989年和2005年之间重要的沉积造成的铅、锌、铜、和Cd, Cd的额外的输入土壤是由于污水污泥作为肥料的应用。浓度最高的相对增量Pb,有限公司铜、镍、和Cr。在2005年至2010年,每年的相对增量Cr率最高,Cd, Co和镍,它增加了一个数量级比之前的时期。相比之下,铅和铜浓度减少由于土壤复垦,排除含铅汽油作为汽车的燃料和关闭一些危险的企业。联合分析的积雪和土壤地球化学地图允许识别区域的实际,永久性的,和残余污染。
1。介绍
工业城市的发展和城市人口的快速增长加剧生态问题造成的空气和水的污染和永久的污染物在土壤中积累。重金属(HMs)的特别关注,因为他们属于非常有害物质。在莫斯科HMs的含量和分布,分析了土壤许多作者(1- - - - - -7]。等紧迫问题同时,城市生态学作为一个长期的动态的土壤污染与HMs在不同土地利用区域尚未考虑。本研究的目的是研究土壤污染的时空趋势与HMs在莫斯科污染最严重的地区之一。
这项研究的具体目的如下:(我)调查对HM的长期动态内容的主要特点在土壤覆盖与土地利用类型和波动在城市活动;(2)工艺映射为不同时期城市土壤地球化学异常;(3)确定角色和HM积累在城市土壤的结合强度分析的积雪和土壤地球化学地图;(iv)污染的环境风险评价指标的基础上积分。
2。材料和方法
东部地区被选为研究对象;它位于Meshchera沉积平原。南部,污染最严重,莫斯科东部地区调查的一部分。这个地区属于温带大陆性气候的针叶林Meshchera南部风景。积雪显得October-early 1月和年末达到2 - 3的最大高度。平坦的平原,海拔150 - 160米海拔由冰水的金沙和这种HMs的含量低(8]。土壤覆盖层已经严重干扰;自然sod-podzolic podzolic-bog,沼泽土壤只保存在本地在郊区和绿色区域。该地区的主要部分是被特定的城市土壤,即urbanozems和technozems [9),开发了沉积基板和种植层;在一些公园和娱乐区域,土壤开发自然父母岩石上。
最广泛的土壤是urbanozems深深改变了人为土壤,这变化的概要文件的深度超过50厘米。他们的主要区别自然土壤的诊断“urbic”地平线。这个表面地平线是一个混合层装满了一个掺合料(> 5%)的人为夹杂物(建筑和工业废弃物、生活垃圾);作为一个规则,它包含有机物质。这层的物理和化学性质改变由于输入的风成尘埃5]。
香港multispecialized产业,包括仪器、设备生产、化学和石油加工工厂、电站、加热焚化厂,密集的道路网络。高速公路是莫斯科的环城公路(MKAD)和Shosse Entuziastov。汽车运输是污染的主要来源区10]。最大的工业区Karacharovo和Sokolinaya Gora研究东北地区;Perovo中心;Vykhino和Gaivoronovo在南方。由于生产力下降和减少废物的数量和排放,静止的空气污染来源的输入从26 - 27%的总质量减少工艺负荷,在1990年代初10%最后的十年11]。然而莫斯科仍然排名10至13日俄罗斯城市的总从固定污染源污染水平;行业仍然是最重要的因素负责与特定的城市环境的污染排放。
地球化学研究和土壤采样进行了在1989年的夏天,2005年和2010年在同一点(图1)。样本收集大约在均匀网格采样间隔的700 - 900米。这个方案是世界上广泛使用的地球化学制图的城市(13]。153土壤混合样品都是从最腐殖质丰富和污染上(0到15厘米)城市土壤的视野。混合样本由4个人组成的。Soddy-podzolic Meshchera平原的土壤(45 - 50公里的东部城市,其影响力不显示)作为背景类似物进行了研究。这些轻质土壤发展下草甸grass-forb和森林spruce-birch社区。十个样本来自土壤的表面视野参考。锌的主要内容、Cd、铅、铜、铬、有限公司镍、锰,Cs是由原子吸收光谱法使用了日立180 - 70光谱仪。确定土壤样本的所有元素都被转移到解决方案的国家使用盐酸的混合酸,HClO4,HNO3,三重蒸发和高频与硼酸络合。HCl的残留物被溶解。
土地利用的类型是最重要的工艺形成的地球化学异常;因此土地利用分区的领土进行使用卫星高分辨率图像(12]。以下指定区域(图1):高速公路和工业区,这里在MKAD住宅街区,休闲区(公园、森林公园和休闲区域),新的高楼大厦(Novokosino Kozhukhovo)、老住宅小区(Novoukhtomskii私人低层建筑、Kosino Rudnevo定居点),和农业面积(可耕种的土地前Mossovet国营农场)。区不同人类活动的持续时间和强度的压力。地球化学地图编译使用样条插值(地质统计分析员,ArcGIS 10)。
灰尘和HMs的积累或分散在城市土壤是评估使用浓缩或损耗因素估计通过与HM浓度上的数据进行比较在参考soddy-podzolic土壤:和,在那里在城市土壤元素的浓度。结果显示在一个特殊的情节地球化学光谱。固体部分HMs的注入土壤等于含尘量在雪地里乘以HM浓度;。超过数HM的影响高于背景值特点是一个因素吗。总multielemental污染的积雪和土壤覆盖层引入积分指数的定义和总污染分别在哪里的元素吗或EF > 1。他们总结HM的多余内容在城市土壤背景水平,从而显示他们人为地球化学转换的程度14,25,26]。积分指数有5个层次,确定污染的程度(表1)。这些参数的地图显示空间的污染这些沉淀媒体模式。
3所示。结果与讨论
3.1。在城市土壤HMs的积累
HM积累在土壤强度的东部地区(图2)评估与跟踪级别的背景Meshchera平原土壤浓度的HMs在研究中,除了Cd和Cs。低的金属浓度背景值的土壤是解释其内容在父冰水金沙(8从大气中)和小强度的影响(2,9]。
在1989年的四个元素累积在城市土壤与下列顺序根据浓缩因子EF(劣质指数):Pb4所示。4锌3.7铜1。7Cd1。4。其他金属消散与强度由其损耗因子定义DF(指标):Cо2。3锰1。4Cr1。3Cs1。2倪1。1。HMs在城市土壤非常变量的内容;变异系数CV特别HMs从41 89%,达到102%,Cd,因为个人土地利用区域差异。
2005年金属污染物显示,增加内容,同时保留上述序列:Pb9.9锌4所示。9铜2。6Cd1。8。在1989 - 2005两种主要污染物的平均浓度,铅和锌,分别增加了2.2和1.3倍。Cr的内容、Cs和倪接近背景水平;只有公司和锰浓度低于背景值(DF 1.6和1.2)。土壤浓度以下的HMs研究变量略低于1989年(CV公司32 - 66%,镍、锰、Cs、锌、铬、铜和91 - 92%的Cd和Pb)。
2010年,21年的开始调查后,进一步发展与HMs观察土壤污染,和金属集团集中在表层土被扩大到七元素。根据EF值,形成以下序列:Pb6.8锌5.0Cd4所示。7Cr3.1铜2。3倪2。0有限公司1。3。Mn和Cs下面的内容背景(DF 1.2和2.8,resp)。由于Cs是集中在锰的氢氧化物,其去除(冲刷)表土伴随着显著降低Cs的内容(27]。Pb-the的浓度主要pollutant-decreased 1.4倍相比,2005年可能是土地复垦的结果结合排除含铅汽油作为汽车的燃料和关闭一些危险企业生产机器和电子设备。光盘内容的集约型发展在城市土壤是由其在机动车排放;在农业和休闲区相关的应用大量的矿物和有机肥料和污水污泥含有Cd作为掺合料。其他金属的浓度略有增加或保持在相同的水平。的内容有限,Cs和铅在土壤变得不那么变量,而锌和铬Cd,高达68 - 70%,增加到136%。
3.2。HM内容与不同土地利用类型的土壤
HM浓度水平土壤的区别不同土地利用区域中的值的显示通过分析表2。差异意味着HM的内容进行评估以及。他们显著P 90 - 95%以来的大部分元素和土地利用区组成的混合样品4个人的。1989年铅和锌在土壤积累的所有土地利用区,尤其是在老低层住宅区(EF 8.0和3.7,分别地。),以及高速公路附近(6.7和6.0),和农业领域(5.0和2.6)。第三优先级pollutant-Cu-was主要积累在工业和运输区(2.9)。土壤的休闲区和新的高层住宅领域显示HMs含量低的特点。其中最大的色散Cr (DF 3.5和2.0)和(2.7和4.1,分别地。)与背景相比,土壤被观察到。
2005年的整体图片HMs在个别区域的土壤分布是相同的,但主要pollutants-Pb和Zn-significantly的浓度增加(表2)。最高浓度的土壤中发现了公路和工业区(EF 19.2和8.1,分别地。),旧住宅小区(17.6和4.8),和农业地区(9.4和3.3)。低浓度的HMs (Co、Cr、Cd、镍、锰、和Cs)相比,土壤背景值观察的休闲区和新高层住宅小区(DF 3.6 - -1.1)。
2010年个人土地利用的土壤地球化学对比区变得不那么明显。Cr的浓度、Co和Mn增加与2005年相比几乎在所有土地利用区,与铅、铜、锌减少运输和工业区、老住宅和农业地区(锌除外)。Pb在这些区域的内容减少了2.3 - -2.5倍,显然是与土壤开垦,以及改善燃料和车辆结构的变化。光盘的内容大幅增加,特别是在休闲和农业区域的土壤。这可以解释为高剂量的污水污泥的应用和磷的肥料。
3.3。在城市土壤HM的长期动力学异常
HMs的time-spatial模式分布在土壤的地图上了指数多年21-year-long时期的观察(图3)。1989年香港的特点是低水平的总污染(< 16)的结果,而疲软的工业和交通对城市土壤的影响。在这个背景有几个小点的低对比度工艺异常的HMs中等污染水平位于西北、东南,和中部地区。在这些异常的值的中心指标不超过32 - 35。
(一)
(b)
(c)
2005年土壤覆盖现有的HMs异常区大大增加了他们的大小和对比;的总污染土壤增加了16年期间的1.7倍。HMs的对比工艺异常西北约48中心成立的大型工业区排放的影响下“Sokolinaya Gora”和Shosse Entuziastov公路。沿着莫斯科环公路(MKAD几个异常图1),表示在1989年成为大很差最大32-40。东南异常HMs的土壤也变得更加明显,48。因此,污染水平异常改变了从中级到高级。
在2010年进一步增加观察HM异常的区域和强度。西北与土壤污染的总指标异常48 - 80扩展超出了工业区“Sokolinaya Gora”和部分覆盖居民区南Shosse Entuziastov公路。中心的地区大异常> 100年的影响下形成工业园区“Perovo”和集中供热站Perovskaya (DHS)”。“东南区工艺异常的一部分HMs是东而延长指标增加了50 - 70。这是最近建焚化厂排放的结果解决Rudnevo附近。
日益增长的城市土壤污染与HMs不仅仅是由于工业排放的增加和交通特别是,还通过改变土壤的吸收能力。人为改造土壤的物理和化学性质导致复杂的物理和化学的形成障碍。出现由于降水的碳酸盐建筑粉尘微粒丰富,应用土壤腐殖质含量高的泥炭堆肥混合物物质为种植绿色植物以及洪水和土壤密封改变其气体和氧化还原机制。HM积累这些人为障碍不一定伴随着减少他们的机动性;移动形式的HMs的分析表明,从大气降水超过他们的速度从表层土壤冲刷28]。
3.4。HM积累趋势在表层土壤和积雪
HM积累的倾向城市土壤进行评估两个时期:1989 - 2005和2005 - 2010年年均增长率的计算在表层土(HM内容表3),很大程度上取决于不同的土地利用类型(图4)。
从1989年到2005年的增长在东部地区的土壤是HM内容相对较小。的最大绝对增长内在Mn(每年4.4毫克/公斤)> Pb(3.1) >锌(2.8)>铜> Cr (0.64) (1.6)。因此,铅的相对速度是最大的公司,铜、镍、和Cr(0.07 -0.03%)工业区,以及高速公路附近的土壤,旧的低层住宅小区,农业地区(图4)。
在2005 - 2010年,HM的速度积累在土壤增加和土地利用区域(图中变得更加分化4)。根据平均年值HMs形式下列顺序:Cr(每年13.1毫克/公斤)>锰(3.8)>镍(2.2)>锌>有限公司(0.9)(1.2)。Cr、Cd、Co和倪有最大相对增长率(0.5 -1.0%),与前期相比增加了数十倍(表2)。Pb的内容、Cs和铜显著降低显示负值的年增长率主要是由于土壤复垦。
不均匀分布的HM累积利率地区境内的图上看到4。Cr和Cd显示整体经济增长,尤其是在低污染区(休闲、农业和新居民区),而铅和锌在土壤中消散的工业区和高速公路,旧的低层住宅和农业地区。
土壤污染的动态与HMs在雪地里的分布。积雪反映实际状况的土壤环境,代表了更稳定的长期污染。联合分析的积雪和土壤地球化学地图允许识别领域的实际的,永久性的,和残余污染。残遗工艺异常只出现在土壤覆盖,现代的,只有雪,和永久的积雪和土壤同时[25]。雪污染与HMs在莫斯科东部地区使用积分引入指数被定义(29日]。它描述组成和数量的灰尘积累的雪。覆盖的地图和积分指标内的永久性异常导致识别区(图的重要组成部分5)。在区域的中心残遗异常形成的消除和重新安排的固定污染源排放。北,沿着Shosse Entuziastov高速公路现代异常发现了HMs Terletskiy附近的公园。
3.5。评估城市土壤的环境状态
纬向平均价值的分析总指标的污染(表4)显示,1989年大部分领土的一部分正在研究的特点是低水平的HM污染。的平均值只有9.0表明无害的土壤的生态条件。值超过了这一水平仅在10 49个抽样地点(即。20.4%),主要在工业区和高速公路附近。
2005年更显示采样点值< 16 (31 52。,59.6%)。此外,14分(26.9%)转移到中、7分(13.5%)高水平的污染。平均区为17.3的值对应于中等水平的HM污染土壤。只有三个土地利用区土壤污染水平较低,与中期和高层建筑住宅区域,休闲区(表4)。2005年住宅低层区土壤和农业景观有中等程度的HM污染,这些公路和工业区的高。
在2010年的平均值区增加了19.4。与土壤污染程度的降低高速公路,与低层建筑工业和居民区,显著增加HM污染发生在休闲、农业、和住宅高层区。因此只有在后者区域土壤污染水平对应无害的类别;其他区域适度污染(17.9 - -28.3)。
莫斯科生态评估等级的HM积累的水平在世界上土壤的城市中,我们比较了四个最常见的HMs的平均含量(Pb锌、铬和镍)大省会城市的几个国家的土壤与他们的价值观在莫斯科东部地区的土壤。世界大城市的土壤,而高HM平均浓度(表5)与莫斯科数量,尤其是铅和锌。最密集的积累铅土壤是典型的伦敦,那不勒斯、巴勒莫,汉堡,而锌的土壤是典型的汉堡,柏林,那不勒斯和马德里。铬和镍的内容在岩石圈低于克拉克;最小值的土壤中观察到马德里,柏林,巴勒莫和斯德哥尔摩。所以,根据2010年的数据,东部地区的土壤莫斯科没有显示HM积累水平特别高。Pb的平均含量的表层土区土壤接近其价值观的贝尔格莱德和锌接近其价值观在斯德哥尔摩的土壤和伦敦。相同水平的Cr的内容,作为东部地区的土壤中,是记录在巴勒莫和汉堡,倪是记录在塞维利亚和巴勒莫。
4所示。结论
东部地区的土壤莫斯科显示HM污染水平的逐渐增加。其中铅和锌的领导人浓缩因子EF 3.7 - -9.9。2010年,Cd加入(EF 4.7);集约型发展的内容是由其在机动车排放以及应用矿物和有机肥料和污水污泥含有Cd作为掺合料。在过去5年的铅和铜在土壤的内容区减少由于土壤复垦和添加未被污染的材料,含铅汽油作为燃料的排除车辆,并转换和关闭的危险工业企业排放这些金属。
在1989 - 2005年的年度增加HM浓度土壤的东部地区相当低。铅和铜的最大速度增加(每年0.04%和0.08,分别地)。在2005 - 2010年的年度增加了HM土壤中的浓度高,有明显的分化特别是土地利用区。Cr、Cd、Co和倪有最大的比率增加(1.0 -0.45%)。Pb的内容和铜在工业区和高速公路的土壤、农业、老居民区坠毁。然而,这些区域仍有广泛的内容和最高的元素污染物。
目前,媒介总土壤的污染程度是常见的东部地区的在工业区指数达到28.3。优先污染物是铅、锌和Cd。最大的铅和锌浓度水平(114和286毫克/公斤,职责。)在工业区表层土被发现,而Cd(3.7毫克/公斤)被发现在休闲区。
代表的发展阶段工艺multielemental异常在城市污染土壤总指数的地图被编译为特定年21年时期的观察。的分析显示显著增加对比度和HM的面积近年来异常,这可能归因于增长总额的工业和汽车运输排放和城市土壤的吸收能力的变化。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
俄罗斯支持的字段和化工厂地理学会和俄罗斯基础研究基金会(项目没有。13-05-41191)和地球化学资料的分析和解释俄罗斯科学基金会的资金支持来完成(项目号14-27-00083)。作者感谢博士d . v . g . l . Shinkareva弗拉索夫和夫人参加现场调查。t . s . Khaybrakhmanov博士是感谢他编译的地球化学地图。