Ecological and geochemical study of heavy metal distribution in soils of the railway impact zone within the Valdai national park

Abstract

The paper presents the results of a study of the impact of rail transport on the forest ecosystems of the Valdai National Park. Previously, comprehensive scientific studies of the impact of railways on specially protected natural areas were not conducted. The location of the park in an important transport corridor affects the ecological state of natural systems. Unlike most territories through which railway communication is carried out, the site chosen for research allows assessing the environmental impact of railway transport in the absence of other anthropogenic sources of impact. The gross content of heavy metals and metalloids in the soils of the section adjacent to the railway and the background territories of the park has been determined. Analysis of the gross content of heavy metals in soil samples taken in 5 m increments from the railway embankment showed an excess of the maximum permissible concentrations (MPC) of some elements at a distance of 30 meters from the track. The maximum permissible concentration is observed in manganese, nickel, copper, zinc, arsenic, cadmium and lead. The embankment has a high content of elements such as strontium, barium, copper, and iron. The calculation of quantitative indicators of soil contamination showed that a strong level of contamination is observed at the embankment and at a distance of 25 and 30 m from it. A correlation analysis was conducted, and a model for the distribution of heavy metals and metalloids was presented. An important result of the study was the identification of the role of natural plant communities in the migration and accumulation of pollutants. It was found that the gray alder, located 30 meters away from the embankment, acts as the first mechanical barrier that limits the spread of heavy metals. The second barrier is formed by the sour spruce, which grows 43 meters away from the railway track. These natural filters help to reduce the intensity of the migration of pollutants into the depths of the forest. Exceeding the permissible limits for manganese, nickel, copper, zinc, and cadmium in soils is associated with the wear and tear of railway transport facilities (wheels, rails, and wagons). Arsenic is a component of diesel particulate matter. The increased copper content is associated with railway lubrication, and barium and strontium indicate the use of carbonate crushed stone on railway embankments. The results obtained contribute to understanding the mechanisms of the spread of pollutants from linear transport facilities, are of practical importance for the development of environmental protection measures, and can be used to normalize the impact of rail transport within specially protected natural areas affected by railway.

References

1.               Антипов Б.В. Краткая история применения гербицидов на железных дорогах России // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2012. № 9. C. 42–46.

2.               Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М., 1970. 487 с.

3.               Багдасаров И.Е., Конюшкова М.В., Крюкова Ю.А. и др. Микроэлементы в маршевых почвах Поморского берега Белого моря // Почвоведение. 2024. № 8. С. 1077–1086.

4.               Балакай В.И. Электроосаждение сплава на основе серебра // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2004. № 1. С. 47a–49.

5.               Баринова Л.Д., Забалканская Л.Э. Экологические аспекты развития высокоскоростного железнодорожного транспорта // Тр. международной научно-практической конференции «Транспорт России: проблемы и перспективы – 2014». СПб., 2014. С. 28–33.

6.               Белоновская Е.А., Кренке-мл. А.Н., Тишков А.А. и др. Природная и антропогенная фрагментация растительного покрова Валдайского Поозерья // Известия РАН. Сер. географическая. 2014. № 5. С. 67–82. https://doi.org/10.15356/0373-2444-2014-5-67-82

7.               Белый О., Баринова Л.Д., Забалканская Л.Э. Экологические аспекты устойчивого развития высокоскоростного железнодорожного транспорта. СПб., 2018. 159 с.

8.               Булаев В.Г. Экологическая безопасность тягового подвижного состава. Екатеринбург, 2010. 163 с.

9.               Буторина М.В., Куклин Д.А., Васильев А.П. и др. Риск-ориентированный подход к оценке шума железнодорожного транспорта // Вестн. Ростовского гос-го ун-та путей сообщения. 2019. № 1(73). С. 28–33.

10.            Валдайский национальный парк — официальный сайт (Электронный ресурс). URL: https://www.valdaypark.ru/ (дата обращения: 15.08.2024).

11.            Водяницкий Ю.Н., Ладонин Д.В., Савичев А.Т. Загрязнение почв тяжелыми металлами. М., 2012. 304 с.

12.            Гаврилин И.И., Губарь М.А. Оценка влияния железной дороги на состояние растительности по показателям фитотоксичности почв с использованием тест-объекта «Avena Sativa L.» // Международный научно-исследовательский журнал. 2012. № 7-1(7). С.27-29.

13.            ГОСТ 19791-74. Cмазка железнодорожная ЛЗ-ЦНИИ. Технические условия. М., 1975.

14.            ГОСТ 398—81. Бандажи из углеродистой стали для подвижного состава железных дорог широкой колеи и метрополитена. Технические условия. М., 1981.

15.            ГОСТ 4491-86. Центры колесные литые для подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм. Общие технические условия. М., 1986.

16.            ГОСТ 33320-2015. Шпалы железобетонные для железных дорог. Общие технические условия. М., 2019.

17.            ГОСТ 33695-2015. Колодки тормозные чугунные для железнодорожного подвижного состава. Общие технические условия. М., 2022.

18.            ГОСТ Р 51685-2022. Рельсы железнодорожные. Общие технические условия. М., 2023.

19.            Каверина Н.В. Геоэкологическая оценка воздействия железнодорожного транспорта на экосистемы прилегающих территорий: Дис. … канд. геогр. наук. Воронеж, 2004. 23 с.

20.            Казанцев И.В. Экологическая оценка влияния железнодорожного транспорта на содержание тяжелых металлов в почвах и растениях полосы отвода: Дис. … канд. биол. наук. Самара, 2007. 166 с.

21.            Калачева О.А. Выбросы вредных веществ на железнодорожном транспорте // Актуальные проблемы и перспективы развития транспорта, промышленности и экономики России («ТрансПромЭк – 2019»): Тр. международной Научно-практической конференции, Воронеж, 24 октября 2019 года. Воронеж, 2019. С. 45-51.

22.            Карпенко Д.О., Потапов А.В. Способы борьбы с сорной растительностью на пути (опыт Привольской дистанции пути Прив. ж. д.) // Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство. 2016. Т. 9, № 9(9). С. 233–238.

23.            Курской А.Ю., Зеленкова В.Н. Новые данные к флоре железных дорог Белгородской области (по материалам 2019 г.) // Полевой журнал биолога. 2020. Т. 2, № 1. С. 4–13. https://doi.org/10.18413/2658-3453-2020-2-1-4-13

24.            Ладонин Д.В. Фракционно-изотопный состав соединений свинца в почвах заповедника «Кологривский лес» // Почвоведение. 2018. № 8. С. 994–1003. https://doi.org/10.1134/S0032180X18080063

25.            Макаров А.О. Оценка экологического состояния почв некоторых железнодорожных объектов ЦАО г. Москвы: Автореф. дис. … канд. биол. наук. М., 2014. 293 с.

26.            МУ 2.1.7.730-99. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест. М., 1999.

27.            Никитин Н.А. Влияние железнодорожного транспорта на развитие процессов водной эрозии почв полосы отвода железных дорог в лесостепной зоне низкого Заволжья Самарской области // Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии. Самара, 2010. Т. 20, № 3. C. 50–63.

28.            Никифоров В.А. Состав и свойства трущихся деталей из цветных металлов на тепловозах и повышение их качества с учетом структурной самоорганизации: Автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 2003. 29 с.

29.            Пащенко Л.В., Потапенко В.И. Загрязнение атмосферы предприятиями железнодорожного транспорта // Сб. научных трудов Донецкого института железнодорожного транспорта. 2017. № 47. С. 40–58.

30.            СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания».

31.            Сафонова Н.М. Вопросы обеспечения контроля нежелательной растительности на железнодорожных путях // Транспорт: наука, образование, производство («Транспорт-2022»): Труды международной научно-практической конференции, Воронеж, 25–27 апреля 2022 года. Воронеж, 2022. 304 с.

32.            Стрикова Т.С. Характерные особенности твердых аэрозолей, комплексное воздействие порошкообразной пыли на окружающую среду // Современные подходы к обеспечению гигиенической, санитарно-эпидемиологической и экологической безопасности на железнодорожном транспорте: Сборник трудов ученых и специалистов транспортной отрасли. М., 2016. С. 127–131.

33.            Jian-Hua Ma, Chun-Jie Chu et al. Heavy metal pollution in soils on railroad side of Zhengzhou-Putian section of Longxi-Haizhou railroad // China Pedosphere 2009.19(1):121–8. https://doi.org/10.1016/S1002-0160(08)60091-0

34.            Klik B., Mazur Z. et al. Soil environmental monitoring of repurposed railway line operated for 75 years: Case study in Northeast Poland // Desalination and Water Treatment. 2025. Vol. 321. P. 100919.

35.            Murray P., Ge Y. Evaluating three trace metal contaminated sites: a field and laboratory investigation // Environmental Pollution. 2000. Vol. 107. P. 127–135. http://dx.doi.org/10.1016/S0269-7491(99)00120-7

36.            Pisarek I., Smieszkoł K. Impacts of railway transportation on the enrichment of heavy metals in hortisols of allotment gardens in the city of Zawadzkie // Journal of Ecological Engineering. 2025. Vol. 26, № 10. https://doi.org/10.12911/22998993/205938

37.            Stojic N., Pucarevic M. Railway transportation as a source of soil pollution // Transportation Research. Part D: Transport and Environment. 2017. Vol. 57. P. 124–129. https://doi.org/10.1016/j.trd.2017.09.024

38.            Wilkomirski B., Galera H. Railway tracks-habitat conditions, contamination, floristic settlement-a review // Environment and Natural Resources Research. 2012. Vol. 2(1). Р. 86. https://doi.org/10.5539/enrr.v2n1p86