CC BY
1
УДК 504.05 Б01: 10.24412/1728-323Х-2024-6-47-53
СОДЕРЖАНИЕ АЗОТА И СЕРЫ В ПОЧВАХ В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЧЕРЕПОВЕЦКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА
В. И. Репина, студент, Санкт-Петербургский государственный университет, [email protected], г. Санкт-Петербург, Россия,
И. С. Недбаев, кандидат географических наук, старший преподаватель, Санкт-Петербургский государственный университет, [email protected], г. Санкт-Петербург, Россия
Аннотация. В работе проведен анализ содержания азота и серы в почвах в зоне воздействия Череповецкого металлургического комбината (ЧерМК). Кроме высокой концентрации тяжелых металлов в составе выбросов комбината, также наблюдается значительное содержание соединений диоксида серы, оксидов азота, аммиака, углеродных оксидов, ароматических углеводородов и других веществ. На основании полученных результатов сделан вывод о том, что преобладающее направление ветра является более значимым фактором в распределении соединений азота и серы. Представлены данные по содержанию аммония, нитратов, сульфатов и показателю кислотности в почве на пробных площадях в Череповецком районе. Согласно полученным показателям установлено, что на изучаемой территории реакция среды почв является нейтральной, имеются локальные превышения сульфатов, содержание нитратов и аммония невелико. Несмотря на то, что в составе выбросов ЧерМК преобладают SO2, NO2, NO и др., вызывающих вместе с CO2 выпадение кислых осадков, к подкислению почв, в отличие от цветной металлургии, это не привело. Выявлена корреляционная связь между содержанием водорастворимых форм нитратов и показателем pH, что может служить индикатором воздействия Череповецкого металлургического комбината на почву.
Abstract. This paper analyzes the nitrogen and sulfur content in soils within the impact zone of the Severstal Cherepovets Steel Plant. In addition to high concentrations of heavy metals in the plant's emissions, significant levels of sulfur dioxide compounds, nitrogen oxides, ammonia, carbon oxides, aromatic hydrocarbons, and other substances were identified. The results indicate that prevailing wind direction significantly influences the distribution of nitrogen and sulfur compounds. Data on ammonium, nitrates, sulfates, and acidity indices in soil samples from the Cherepovets District are presented. The findings reveal that the soil reaction is neutral overall; however, local excesses of sulfates and nitrates were noted, while ammonium content remained low. Despite the presence of SO2, NO2, NO, and other pollutants from Cherepovets Steel Plant emissions—contributing to acid precipitation—soil acidification did not occur as observed in non-ferrous metallurgy regions. A correlation between water-soluble nitrate forms and pH levels was identified, serving as an indicator of the metallurgical plant's impact on soil.
Ключевые слова: азот, сера, Череповецкий металлургический комбинат, дерново-подзолистые почвы.
Keywords: nitrogen, sulphur, Severstal Cherepovets Steel Plant, sod-podzolic soils.
Череповецкий металлургический комбинат (ЧерМК), расположенный в г. Череповце в Вологодской области и принадлежащий ПАО «Северсталь», является одним из крупнейших сталелитейных комбинатов страны. Основными источниками воздействия на окружающую среду являются: коксоаглодоменное производство, сталеплавильное производство, производство плоского проката, сортопрокатное производство, управление транспорта (автомобильный и железнодорожный транспорт), вспомогательные и ремонтные цеха, управление главного энергетика.
Помимо повышенной концентрации тяжелых металлов в составе выбросов ЧерМК, значительная концентрация соединений диоксида серы, оксидов азота, аммиака, оксидов углерода, ароматических углеводородов и других. В исследовании проанализированы лишь некоторые из них — соединения азота и серы подведены по их содержанию в почвах Череповецкого района соответствующие выводы.
Целью исследования является определение содержания азота и серы в почвах в зоне воздействия Череповецкого металлургического комбина-
та. В связи с поставленной целью выделены следующие задачи: определить соединения серы и азота, а также кислотность почвы в лаборатории; проанализировать полученные результаты.
Материалы и методы
Летом 2023 года был проведен полевой этап исследования с отбором почвенных проб по ГОСТ 17.4.3.01—83 в Череповецком районе Вологодской области. Был выбран метод эталонных площадей. Всего заложено 22 пробных площади, на каждой из которых был отобран методом конверта поверхностный серогумусовый (ЛУ) горизонт почв. Схема расположения пробных площадей приведена на рисунке 1.
В каждой почвенной пробе были определены:
— реакция среды (актуальная и потенциальная кислотности);
— содержание водорастворимых форм аммония и нитратов с помощью потенциометра;
— содержание сульфатов по турбодинаметри-ческому методу.
Все лабораторные исследования проведены в учебной лаборатории физико-химических мето-
Рис. 1. Схема расположения пробных площадей
дов анализа управления технического обеспечения образовательных программ по направлениям география, геология, геоэкология и почвоведение СПбГУ.
При камеральной обработке использовались методы описательной статистики, критерий проверки выборки на нормальность Колмогорова-Смирнова, U-критерий Манна—Уитни для сравнения выборок и корреляционный анализ. Расчет критериев производился в SPSS Statistics.
Результаты и обсуждения
Кислотность почв Череповецкого района. Вологодская область расположена преимущественно в пределах дерново-подзолистой почвенной зоны. Климатические условия и широкое распространение лесной растительности способствуют увлажнению и выщелачиванию почвы, а, следовательно, обуславливают повышение кислотности почв и подзолообразование. Для области характерны слабокислые и среднекислые почвы. В 2016 году кислотность для Череповецкого района составляла от 5,40 до 5,50, а потенциальная от 4,24 до 4,98 [1].
Индикаторами аэротехногенного загрязнения от промышленных предприятий, в первую очередь, могут служить кислотно-основные показатели.
В сравнении с данными, представленными в [1] в 2016 году, кислотность Череповецкого района изменилась значительно: реакция среды сменилась со слабокислой на нейтральную. Несмотря на то, что в составе выбросов ЧерМК преобладают SO2, N02, N0 и др., вызывающих вместе с СО2 выпадение кислых осадков, к подкисле-нию почв, в отличие от цветной металлургии, это не приводит, так как с пылевыми выбросами в почвы поступают карбонаты кальция и магния, нейтрализующие кислотность и подщелачивающие почву [4]. Поэтому динамика данного параметра в течение времени может быть связана не с сокращением объема выбросов, а, напротив, с увеличением с 2016 года.
В таблице 1 представлены значения рН в гумусовых горизонтах по номерам площадок.
Наименьшее значение 4,2 соответствует точке 0.5, которая отличается от остальных площадок наличием большого количества хвойных по-
Таблица 1 pH в гумусовом горизонте почв района исследования
№ на pH pH № на рН рН
карте №О) <кс1) карте (Н2О) (КС1)
1.0 6,7 6,6 12,0 8,9 7,5
2.0 6,8 6,2 13,0 6,6 6,2
3.0 6,1 5,5 14,0 5,8 5,1
4.0 6,9 6,6 15,0 6,3 5,9
5.0 8,3 7,6 16,0 6,3 5,0
6.0 7,3 6,8 17,0 6,7 6,5
7.0 8,1 7,8 18,0 6,5 6,4
8.0 7,0 6,2 19,0 7,0 6,9
9.0 6,7 6,7 20,0 7,3 6,7
10.0 7,7 7,0 0,0 7,1 6,6
11.0 5,8 5,1 0,5 5,2 4,2
род на данной территории, то есть закис ление почвы на точке произошло по естественной причине — в связи с образованием фульвокислот из хвойного опада.
Сравнение двух выборок по признаку преобладающих направлений ветров по И-критерию Манна—Уитни показало, что гипотеза правдопо-
добна и различия в зависимости от того, в каком направлении от комбината располагалась точка, более существенные, чем близость к предприятию ПАО «Северсталь» (табл. 2).
С атмосферными осадками могут выпадать азотная и серная кислоты, сульфаты, нитраты и прочие вещества, в результате чего происходит подкис ление почвы. Наряду с этим наблюдается и подщелачивание почв вокруг металлургических предприятий, что наблюдается на примере значений в таблице 2. Подобная геохимическая аномалия щелочного типа под влиянием техно -генных выбросов была также выявлена в исследовании [2] на территории Череповецкого района в 2008 году.
Одновременно с этим замечена взаимосвязь отсутствия омоховения на неиспользуемых или же слабо используемых лугах: мхи являются каль-циефобами, поэтому появление щелочной реакции в почве разрушает экологическую нишу обитания мхов.
Содержание общей серы и сульфатов. Содержание сульфатов в почве на территории Череповецкого района составляет 480 ± 180 мг/кг. Встре-
Рис. 2. Показатель кислотности в гумусовых горизонтах
Рис. 3. Содержание сульфатов в гумусовых горизонтах на исследуемой территории
чаются локальные превышения до 740 мг/кг. По мере удаления от ЧерМК в юго-восточном и восточном направлениях прослеживается снижение содержания сульфатов, тогда как на наиболее удаленных участках 0.0 и 0.5 заметно снова увеличение предположительно по причине близости другого источника выбросов серы — крупной автомагистрали.
Содержание серы почти в 1/3 проанализированных проб было ниже предела чувствительности, в остальной части содержание серы не превысило значение 20,4 мг/кг. Данные результаты, вероятно, могут означать, что свободная сера
поглощается растительностью, а также преобразуется в сульфаты и иные соединения. В сравнении с [3] за 2017 год интервал содержания серы в данном исследовании примерно равен и соотносим с усредненными показателями по области.
В таблице 3 и рисунке 3 представлены значения серы и сульфатов в гумусовых горизонтах по номерам площадок.
Содержание нитратов и аммония. Содержание нитратов в почвах на изучаемой территории не превышает 70,4 мг/кг, минимальное значение — 16,6 мг/кг на точке 0.5 (рис. 4). Точка 0.5 отличается от остальных участков наличием хвой-
Таблица 2
Значения кислотности на территории Череповецкого района в зависимости
от направления ветров
Параметры (1) Значения рН (Н20) (2) Значения рН (Н20) (1) Значения рН (КС1) (2) Значения рН (КС1)
Направление ветров среднее шт—шах п Ю и З 7,16 ± 0,62 6,13—8,25 12 СЗ и СВ 6,51 ± 1,01 5,24—8,92 10 Ю и З 6,52 ± 1,00 5,48—7,84 12 СЗ и СВ 5,84 ± 0,97 4,20—7,49 10
Таблица 3
Содержание 8 и 804 в гумусовом горизонте почв района исследования
№ на карте Содержание 8, мг/кг Содержание 802 , мг/кг № на карте Содержание 8, мг/кг Содержание 802 , мг/кг
1.0 Н.п.* 431,8 12.0 12,4 488,0
2.0 Н.п. 195,5 13.0 Н.п. 353,0
3.0 6,0 409,3 14.0 11,6 330,5
4.0 9,2 476,8 15.0 Н.п. 701,8
5.0 Н.п. 724,3 16.0 11,6 544,3
6.0 12,4 510,5 17.0 11,6 589,3
7.0 Н.п. 645,5 18.0 5,2 218,0
8.0 6,8 634,3 19.0 13,2 364,3
9.0 6,0 611,8 20.0 10,8 94,2
10.0 20,4 735,6 0.0 Н.п. 420,5
11.0 18,8 499,3 0.5 7,6 634,3
Примечание: Н.п. — ниже предела определения.
ных, а не широколиственных пород, следовательно, на д анной территории меньше поступает в нитратов в почву вследствие опада [4]. Среднее значение содержания нитратов в пробах — 40 ± 10 мг/кг.
В таблице 4 представлены значения N03 и КИ4 в гумусовом горизонте почв района исследования.
Наибольшее значение зафиксировано на точках 5 и 20, в обоих случаях площадки располагались в нижней части склона, что может свидетельствовать о вымывании с вершины поступивших из атмосферы соединений азота с внутрипочвен-ным и поверхностным стоком. На точке 5 гумусовый горизонт имел признаки дерново-карбонатных почв с глинистым гранулометрическим составом, на точке 20 встречались растения-азот-фиксаторы (ольха, чина) и, следовательно, можно предположить, что обе территории создали подходящие условия для фиксации азота бактериями и глинистыми частицами. В сравнении с [5] в 2018 году среднее содержание нитратов на территории изменилось незначительно.
Рис. 4. Содержание нитратов в гумусовом горизонте на исследуемой территории
Таблица 4
Содержание N03 и NH4 в гумусовом горизонте почв района исследования
Медиана содержания аммония составила 5,0 (5,0—12,58) мг/кг, что в сравнении с [5] меньше указанных значений за 2018 год. ПАО «Северсталь» на протяжении нескольких десятилетий наращивало производство сульфат аммония для нужд сельхозпроизводителей, отмечая «эколо-гичность производства» — замкнутый цикл водоснабжения, запрет на выброс в атмосферу пыли сульфат аммония. Похоже, данное решение д ейс-твительно сыграло ключевую роль — в пробах почв отмечаются лишь минимальное содержание данного вещества.
Корреляционный анализ. Для оценки взаимосвязи между исследованными веществами в почве был использован коэффициент корреляции Пирсона. По итогу была выявлена корреляцион-
ная связь средней силы (г = 0,58) между нитратами и кислотностью (чем больше поступление нитратов в почву, тем выше показатель рН).
По причине геохимической аномалии в зоне влияния ЧерМК в почвах накапливается кальций и ряд токсичных тяжелых элементов [6]. На кислых дерново-подзолистых почвах, содержащих в поглощенном комплексе много кальция, поступление нитратного азота способствует подщелачи-ванию почвы, т. е. увеличению водородного показателя рН.
Заключение
Содержание сульфатов в почве на территории Череповецкого района составляет 480 ± 180 мг/кг. Встречаются л окальные превышения до 740 мг/кг. Влияния предприятия на содержание соединений серы не прослеживается.
Содержание водорастворимых форм нитратов на исследуемой территории невелико: 40 ± ±10 мг/кг. Аммонийных форм азота содержится еще меньше — 5 мг/кг. В последние годы работы «Северсталь» наращивает производство, но при этом соблюдает запрет на выбросы пыли, содержащей сульфат аммония.
Реакция среды почв Череповецкого района Вологодской области является нейтральной (рН = 6,9 ± 0,9). Наибольшие значения показателя рН (до 8,9) коррелируют с рассеиванием выбросов от Череповецкого металлургического комбината, которые в силу своего химического состава подщелачивают почву.
Выявлена корреляционная связь (г = 0,58) между содержанием водорастворимых форм нитратов и показателем рН. Данные показатели могут служить индикатором воздействия Череповецкого металлургического комбината на почву, поскольку их накопление обусловлено составом выбросов предприятия и имеет статистически значимые различия с условно-фоновой территорией.
№ на карте Содержание N03, мг/кг Содержание NH4, мг/кг № на карте Содержание N03, мг/кг Содержание NH4, мг/кг
1.0 32,5 Н.п.* 12.0 54,4 Н.п.
2.0 32,5 Н.п. 13.0 54,4 Н.п.
3.0 30,8 5,0 14.0 26,4 5,5
4.0 42,0 7,6 15.0 42,0 Н.п.
5.0 66,9 Н.п. 16.0 29,3 9,6
6.0 25,1 12,6 17.0 49,1 Н.п.
7.0 54,4 Н.п. 18.0 39,9 8,0
8.0 60,3 Н.п. 19.0 44,3 Н.п.
9.0 57,3 7,6 20.0 70,4 9,6
10.0 49,1 Н.п. 0.0 42,0 9,6
11.0 54,4 Н.п. 0.5 16,6 Н.п.
Примечание: Н.п. — ниже предела определения.
Библиографический список
1. Веденеева Н. В. Почвенный покров и агрохимическая характеристика пахотных почв Вологодской области. Динамика почвенного плодородия по циклам обследования / Н. В. Веденеева, В. А. Рогов, Л. В. Наклейщикова,
A. Н. Налиухин // Достижения науки и техники АПК. — 2016. — № 8. — С. 22—27.
2. Груздев В. С. Динамика экосистем щучковых лугов в зоне действия техногенных выбросов комбината «Северсталь» /
B. С. Груздев // Проблемы региональной экологии. — 2008. — № 3. — С. 89—93.
3. Власова О. А. Результаты локального агроэкологического мониторинга окружающей среды в условиях Вологодской области / О. А. Власова, Н. В. Веденеева, Н. А. Орлянский // Молочнохозяйственный вестник. — 2017. — № 4. — Р. 18—29.
4. Ремезов Н. П. Лесное почвоведение / Н. П. Ремезов, П. С. Погребняк // Лесная промышленность. — 1965. — С. 32.
5. Кудреватых И. Атмосферные выпадения соединений азота и свойства лесных почв Вологодской области / И. Кудреватых, К. Иващенко, Н. Ананьева, Е. Иванищева // Почвоведение. — 2018. — № 51. — С. 153—162.
6. Водяницкий Ю. Н. Техногеохимическая аномалия в зоне влияния Череповецкого металлургического комбината / Ю. Н. Водяницкий, В. А. Большаков, С. Е. Сорокин, Н. М. Фатеева // Почвоведение. — 1995. — № 4. — С. 498—507.
NITROGEN AND SULPHUR CONTENT IN SOILS IN THE IMPACT ZONE OF SEVERSTAL CHEREPOVETS STEEL PLANT
V. I. Repina, Undergraduate, Saint Petersburg State University, [email protected], Russia, St. Petersburg,
I. S. Nedbaev, Ph. D. (Geography), Senior Lecturer, St. Petersburg State University, [email protected], Russia, St. Petersburg
References
1. Vedeneeva N. V. Pochvenny pokrov i agrohimicheskaya kharakteristika pakhotnykh pochv Vologodskoy oblasti. Dinamika pochvennogo plodorodiya po tsiklam obsledovaniya [Soil cover and agrochemical characterisation of arable soils in of Vologda Region. Dynamics of soil fertility in monitoring cycles]. Achievements of science and technology of agro-industrial complex. 2016. No. 8. P. 22—27 [in Russian].
2. Gruzdev V. S. Dinamika ekosistem shchuchkovykh lugov v zone deystviya tekhnogennykh vybrosov kombinate "Severstal" [Dynamics of ecosystems of pike meadows in the zone of anthropogenic emissions of the Severstal Combine]. Regional Environmental Issues. 2008. No. 3. — P. 89—93 [in Russian].
3. Vlasova O. A. Rezultaty lokal'nogo agroekologicheskogo monitoringa okruzhayushchey sredy v usloviyakh Vologodskoy oblasti [The results of local agroecological environmental monitoring in the conditions of the Vologda Region]. Molochno-khozyay-stvennyi vestnik. 2017. No. 4. P. 18—29 [in Russian].
4. Remezov N. P. Lesnoye pochvovedenie [Forest soil science]. Forest industry. 1965. P. 32 [in Russian].
5. Kudrevatykh I. Atmosfernyye vypadenija soyedineniye azota i svoystva lesnykh pochv Vologodskoy oblasti [Atmospheric Nitrogen Deposition and the Properties of Soils in Forests of the Vologda Region]. Eurasian Soil Science. 2018. No. 51. P. 153—162 [in Russian].
6. Vodyanitsky Yu. N. Tekhnogeokhimicheskaya anomaliya v zone vliyaniya Cherepovetskogo metallurgicheskogo kombinate [Technogeochemical anomaly in the zone of influence of the Cherepovets Steel Plant] // Soil Science. 1995. No. 4. P. 498—507 [in Russian].
