Ryazanov S.S., Ivanov D.V., Kulagina V.I.
RJEE Vol. 4 (3). 2019 | DOI: 10.21685/2500-0578-2019-3-4
Аннотация | PDF (Eng) | Дополнительные файлы
Дата поступления 14.06.2019 | Дата опубликования 26.09.2019
УДК 631.4
HEAVY METALS IN TOPSOILS OF THE REPUBLIC OF TATARSTAN, RUSSIA: MULTIVARIATE ANALYSIS AND POLLUTION EVALUATION
S. S. Ryazanov
Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28 Daurskaya street, Kazan, 420087, Russia
E-mail: RStanislav.soil@yandex.ru
D. V. Ivanov
Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28 Daurskaya street, Kazan, 420087, Russia
E-mail: water-rf@mail.ru
V. I. Kulagina
Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28 Daurskaya street, Kazan, 420087, Russia
E-mail: viksoil@mail.ru
ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ГУМУСОВЫХ ГОРИЗОНТАХ ПОЧВ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН, РОССИЯ: МНОГОМЕРНЫЙ АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ
С. С. Рязанов
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, Казань, ул. Даурская, 28
E—mail: RStanislav.soil@yandex.ru
Д. В. Иванов
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, Казань, ул. Даурская, 28
E—mail: water—rf@mail.ru
В. И. Кулагина
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, Казань, ул. Даурская, 28
E-mail: viksoil@mail.ru
Abstract. Background. The study is conducted to investigate the content and spatial distribution of Fe and eight heavy metals (Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, and Zn) in soils of the industrially developed region. Materials and methods. A total of 1,170 soil samples of different land use (natural, agricultural, urban) were collected from topsoils in the territory of the Republic of Tatarstan, Russia. Heavy metals concentrations in soil samples were determined using atomic absorption spectrometry after 5M HNO3 extraction. Multivariate and geostatistical analyses were used to investigate the current state of soil heavy metal contamination and to identify spatial patterns and possible sources of heavy metals on the regional scale. Results. Zonal soil types of a natural land use were used to assess the regional background values of the heavy metals: Cd – 0.44±0.24 mg/kg, Co – 10.4±3.6 mg/kg, Cr – 23.3±12.7 mg/kg, Cu – 16.4±7.8 mg/kg, Fe – 15275.4±5178.3 mg/kg, Mn – 652.4±228.4 mg/kg, Ni – 29.8±18.8 mg/kg, Pb – 11.5±3.2 mg/kg, Zn – 43.3±12.8 mg/kg. The results of the pollution evaluation showed the absence of regional-scale contamination directly related to agriculture. Urban soils were contaminated by Cu, Pb and Zn. Geostatistical analysis revealed several patterns of regional distribution of heavy metals and suggested an anthropogenic impact to the Cu, Pb and Zn distribution. Principal component analysis allowed distinguishing three regional geochemical groups of heavy metals and showed that at the regional scale the distribution of Cu, Mn and Ni is controlled by the element richness in soil parent material, overlayed by the soil forming factors; the distribution of the Co, Cr and Fe is controlled mainly by lithology; and the distribution of the Pb, Zn and Cd is strongly influenced by the anthropogenic sources. Conclusion. This case study demonstrates that a combination of multivariate statistics and geostatistical analysis together with the pollution assessment allows comprehensive characterizing heavy metals spatial distribution and determining their sources.
Keywords: soil, heavy metals, mapping, multivariate analysis, geostatistics, Republic of Tatarstan, Russia.
For citation: Ryazanov S.S., Ivanov D.V., Kulagina V.I. Heavy metals in topsoils of the Republic of Tatarstan, Russia: multivariate analysis and pollution evaluation. Russian Journal of Ecosystem Ecology. 2019;4(3). Available from: https://doi.org/10.21685/2500-0578-2019-3-4
Аннотация. Введение. Исследование посвящено оценке содержания и пространственного распределения Fe и восьми тяжелых металлов (Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb и Zn) в почвах индустриально развитого региона. Материалы и методы. Для выполнения работы на территории Республики Татарстан отобрано 1170 образцов поверхностных горизонтов почв в условиях различных типов землепользования (естественный, сельскохозяйственный, городской). Концентрации тяжелых металлов в почвенных образцах определены с помощью атомно-абсорбционной спектроскопии после экстракции 5M HNO3. С помощью многомерного анализа и геостатистического картографирования проведена оценка состояния почвенного покрова в отношении загрязнения тяжелыми металлами; выявлены закономерности пространственного распределения и потенциальные источники тяжелых металлов в региональном масштабе. Результаты. Образцы зональных почв естественного землепользования использованы для оценки региональных фоновых уровней содержания тяжелых металлов: Cd – 0,44±0,24 мг/кг, Co – 10,4±3,6 мг/кг, Cr – 23,3±12,7 мг/кг, Cu – 16,4±7,8 мг/кг, Fe – 15275,4±5178,3 мг/кг, Mn – 652,4±228,4 мг/кг, Ni – 29,8±18,8 мг/кг, Pb – 11,5±3,2 мг/кг, Zn – 43,3±12,8 мг/кг. Результаты оценки загрязнения почв показали отсутствие антропогенного привноса, связанного с сельскохозяйственной деятельностью. Городские почвы загрязнены медью, свинцом и цинком. С помощью геостатистического анализа выявлены особенности пространственного распределения тяжелых металлов на территории республики и подтвержден антропогенный привнос Cu, Pb и Zn. С помощью анализа главных компонент выделено три геохимические группы тяжелых металлов. Региональная вариабельность тяжелых металлов на территории республики определяется тремя факторами: 1) литогенный фактор наследования тяжелых металлов; 2) литогенный фактор поступления тяжелых металлов, на который накладываются региональные факторы почвообразования; 3) антропогенный привнос тяжелых металлов. Заключение. Данное исследование демонстрирует, что комбинация многомерного статистического и геостатистического анализа совместно с оценкой загрязнения позволяет дать комплексную характеристику пространственного распределения тяжелых металлов и оценить их источники.
Ключевые слова: почва, тяжелые металлы, картографирование, многомерный анализ, геостатистика, Республика Татарстан, Россия.