Загрязнение почв полигонов металлами не ограничивается дальностью стрельбы, загрязнители могут переноситься путем случайной утилизации боеприпасов или дренажного стока.
Морфология почвы играет важную роль в подвижности и удержании химических элементов. Как правило, более грубые почвы с высоким содержанием фракций крупных частиц (песок) менее активно сорбируют металлы, тогда как почвы с преобладающей фракцией мелких частиц имеют более высокую удельную площадь поверхности (и, следовательно, адсорбционную поверхность). Поэтому почвы с доминирующей текстурой илистого суглинка можно охарактеризовать как благоприятные с точки зрения иммобилизации металлов.
Значение рН почвы оказывает большое влияние на поведение металлов, определяя их растворимость. Щелочной показатель среды может (но не всегда) положительно влиять на иммобилизацию металлов. В кислой среде металлические катионы более подвижны, при этом большие количества металлов выделяются в почвенный раствор и потенциально становятся токсичными для растений. Слабощелочные или нейтральные среды обычно обеспечивают наибольшее удержание металлов частицами почвы. В таких средах металлы иммобилизованы, в том числе через образование карбонатов или гидроксидов.
Содержание органического углерода также контролирует мобильность металлов. Увеличение органического углерода приводит к снижению общей подвижности металлов, их доступности для растений и микроорганизмов. Изменение содержания органического углерода может снизить мобильность некоторых металлов при одновременном увеличении подвижности других.
Профильное загрязнение почв металлами, как правило, ограничивается первой полуметровой глубиной от поверхности, при этом концентрационное распределение каждого металла различно. Большинство исследований показало сильное загрязнение металлами верхнего слоя почвы (0–10 см) с быстро уменьшающимися уровнями с увеличением глубины. Но есть и исключения для некоторых металлов, имеющих относительно более высокие уровни накопления на глубине исследуемых профилей.
Во многих исследованиях, в том числе в диссертации Дабахова М.В. [21], отмечается, что подвижность металлов в почвах тесно связана с составом жидкой фазы: при рН≥7 (чернозем) наблюдается незначительная миграция тяжелых металлов; в кислых и сильно кислых средах почвенного раствора (таежно-лесные почвы, подзол) – высокая мобильность металлов. Рост рН приводит к увеличению прочности соединений металлов с почвенными компонентами. При этом выдерживается следующий ряд адсорбции: Pb>Cu>Zn>Cd. В таблице 12 представлена подвижность некоторых тяжелых металлов в зависимости от рН почвогрунтов.
Таблица 12. Подвижность тяжелых металлов в почвах в зависимости от реакции среды
В исследовании [181] пришли к выводу, что образцы верхнего слоя почвы с военного стрельбища в Швейцарии были сильно загрязнены Pb, Sb, Cu и Ni. Их концентрация быстро снижалась с глубиной, достигающей фоновых значений для Pb (при 60–70 см), Sb и Cu (при 40 см) и Ni (при 10–15 см). Снижение концентрации металлов по срезам почвы было связано с ее характеристиками. Она имеет богатый силикатный фон и кислые коренные породы.
Другое исследование вертикального профилирования загрязнения металлами (стрелковый полигон в Квебеке, Канада) показало, что металлы были сконцентрированы в основном до глубины 30–40 см от поверхности почвы [186]. Их концентрации увеличились и на глубине около 70 см, что может быть вызвано вертикальной миграцией металлов в почвенном растворе с кислотными дождями и последующим глубоким повторным осаждением.
Сандерсон и др. исследовали содержание Pb и Sb в вертикальных профилях грунтах на четырех стрельбищах с различными характеристиками почвы в Австралии [236]. Как правило, высокие концентрации Pb обнаружены на поверхности почвы. Степень его миграции в почвы зависит главным образом от рН: 6–18 % – для щелочной почвы (рН 9,3) и 7,5–46 % – для кислой (рН 5,4–6,4). Сурьма более мобильна, чем свинец, особенно в щелочной почве. Это объясняется более высокой растворимостью Sb(III) и Sb(V). Вертикальное выщелачивание Sb варьировалось от 13–100 %.
Томичем и др. [254] сообщалось о более высоких концентрациях Pb в самом глубоком слое (60–100 см) для образцов, собранных из зоны уничтожения боеприпасов, мин и взрывных устройств, расположенных в Боснии и Герцеговине. Авторы приписали это неожиданное открытие естественному происхождению Pb из-за естественных литогенных и педогенных процессов, а не антропогенному загрязнению. Концентрации Cd заметно снижались по глубине профиля; однако концентрации Ni были аналогичны или выше по сравнению с концентрациями в поверхностных и приповерхностных слоях почвы, что указывает на его относительно высокую мобильность. Концентрирование Zn по профилю уменьшалось. Однако Саулюс и Грейсьют [237] сообщили о более высоких концентрациях Pb, Zn и Cu в приповерхностных слоях, которые они связывали с течением времени и миграцией металлов.
В работе Кочетовой Ж.Ю., Базарского О.В. [36] представлены результаты исследования фильтрации тяжелых металлов в различных по природе срезах почв, находящихся под влиянием авиационно-ракетных объектов и комплекса металлургического производства, расположенных в г. Воронеж. Оценены влияние фракционного состава почв, наличия естественных геофизических барьеров на аккумуляцию металлов; запасы элементов до глубины 1 м, характер их профильного распределения. Авторами доказано, что на профильное распределение металлов оказывают влияние в первую очередь масштабы и длительность техногенной нагрузки, а не особенности подвижности элементов и свойства почв. Для изучения фильтрации тяжелых металлов в трех разрезах почв отбирали пробы послойно до 1 м с шагом 10–30 см.
Разрез 1 заложен в промышленной зоне района между испытательным комплексом ракет-носителей и металлургическим цехом. В этой точке мониторинга почвы испытывают значительное техногенное воздействие в виде атмосферных выпадений в результате ракетной деятельности, промышленных и автомобильных выбросов; в виде вытаптывания и замусоривания территории. Верхняя часть профиля (примерно до 40 см) – механически трансформирована. Она сложена из слоев привозного грунта и строительного мусора. Нижележащие горизонты сохранили свою морфологию, однако претерпевают химическую трансформацию из-за токсикантов, просачивающихся с водами вглубь горизонта.
Разрез 2 заложен в жилой зоне на территории дачного поселка. Здесь почвы испытывают значительную техногенную нагрузку от реконструируемого на тот момент времени аэродрома государственной авиации в виде облаков пыли, образующихся при перемещении грунтов и проведении строительных работ; вследствие перемещения загрязнителей с водными стоками и атмосферными выпадениями. Однако, морфология почвогрунта в целом не претерпела существенный изменений.
Разрез 3 заложен вблизи комплекса металлургического производства на территории леса (дубрава). Местность относится к лесной зоне с техногенной нагрузкой в виде атмосферных выпадений в первую очередь от металлургического и испытательного комплексов. Общее строение профиля на участке, также как и во втором случае, не претерпело изменений. Для разрезов почв проведены исследования гранулометрического состава (таблица 13).
Таблица 13. Гранулометрический состав почв разрезов 1–3
Для урбанозема (разрез 1) характерно неравномерное распределение среднезернистого песка по слоям, до глубины 30–40 см встречаются осколки битого кирпича и гравий. В черноземе (разрез 2) наблюдаются близкие значения содержания разных фракций по высоте разреза до глубины 30 см, но превалируют частицы, называемые мелкой пылью. Ниже по профилю увеличивается содержание более мелкой илистой фракции. Такое расположение слоев и распределения фракций частиц в почве характерно для ненарушенного чернозема типичного в Воронежском регионе. Фракционный состав почвы на территории леса (разрез 3) также отличается равномерным распределением и плавными переходами от слоя к слою фракций частиц, их можно отнести к темно-серым лесостепным с преобладающим размером частиц 0,05–0,005 мм.
Для почв с естественным сложением верхняя часть профилей характеризуется низкими значениями плотности, что обусловлено высоким содержанием органических веществ (рисунок 13, линии 2 и 3): плотность верхнего слоя чернозема слегка уплотненна вследствие высокого техногенного загрязнения со стороны аэродрома; верхний горизонт темно-серой лесостепной почвы имеет плотность (d, мг/см3)<1. Для чернозема на глубине 30–35 см отмечается повышение содержания глинистых частиц и, соответственно, плотности. Наибольшей плотностью верхних слоев характеризуется участок урбанизированного грунта (рисунок 13, линия 1).
Рис. 13. Распределения плотности почв в разрезах 1–3
Во всех вариантах изученных разрезов почв распределение плотности соответствует особенностям морфологического строения профиля, связанного со сменой горизонтов.
Коэффициент фильтрации (Кф) верхнего слоя разреза 1 с внесенным чужеродным грунтом отличается высокими значениями по классификации Эггельсмана (рисунок 14, линия 1), при этом наблюдается значительное варьирование абсолютных величин в повторяющихся определениях при разных погодных условиях. После выпадения осадков водопроницаемость поверхности урбанизированного грунта снижается.
Для чернозема (разрез 2) затруднение прохождения влаги было определено на глубинах 30 и 80 см. За 3 года реконструкции взлетно-посадочной полосы аэродрома государственной авиации и складов ГСМ из-за значительного загрязнения керосином почвы на исследуемой территории значение Кф снизилось в ~2 раза, однако абсолютные значения продолжали оставаться высокими благодаря содержанию гумуса и наличию растительного покрова (рисунок 14, линия 2). В третьем разрезе грунтов на территории леса водоупорный горизонт располагается ниже загрязненного слоя. Повышенное содержание загрязнителей было зафиксировано на глубине 15