Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Условия формирования и экологическая оценка качества вод бассейна реки Москвы: влияние антропогенных нагрузок и почвенного покрова 10
1.1. Источники и характер загрязнения почв, экосистем и вод бассейна реки Москвы .10
1.2. Экологические функции водорастворимых органических веществ в почвах и экосистемах тайги 26
1.3. Использование метода сорбционных лизиметров при изучении водной миграции и трансформации веществ в почвах таежной зоны .33
Глава 2. Объекты и методы исследований
2.1. Морфология фоновой почвы мегаполиса ЛОД РГАУ-МСХА 40
2.2. Морфология фоновых почв ЦЛГПБЗ в Тверской области .44
2.3. Особенности бассейна реки Москвы и поверхностных вод фоновых стационаров подзоны южной тайги .46
2.4. Методы исследований 50
2.4.1.Эколого-химические методы оценки почв и качества вод .50
2.4.2. Метод сорбционных лизиметров .58
Глава 3. Особенности генезиса и свойства почв стационаров
3.1. Сравнительная оценка морфологии и физико-химических свойства фоновых почв ЛОД и ЦЛГПБЗ 64
3.1.1. Гидрохимический состав поверхностных вод фонового стационара ЦЛГПБЗ в Тверской области 70
3.2. Влияние ВОВ и ионов тяжелых металлов на загрязнение фоновых почв лесных (Центрально-лесной заповедник) и лесопарковых (Лесная опытная дача) экосистем 72
3.3. Исследование аэрального загрязнения почв и фаций ЛОД 88
Глава 4. Экологический мониторинг загрязнения вод реки Москвы и ее притоков в столичном мегаполисе .92
4.1. Экологическая оценка загрязнения вод притоков и реки Москвы в мегаполисе в сравнении с фоновыми поверхностными водами Центрально-лесного заповедника .92
Выводы 124
Научно-практические рекомендации производству 126
Библиография
- Экологические функции водорастворимых органических веществ в почвах и экосистемах тайги
- Морфология фоновых почв ЦЛГПБЗ в Тверской области
- Гидрохимический состав поверхностных вод фонового стационара ЦЛГПБЗ в Тверской области
- Экологическая оценка загрязнения вод притоков и реки Москвы в мегаполисе в сравнении с фоновыми поверхностными водами Центрально-лесного заповедника
Введение к работе
Актуальность. В современный период атмосфера, лесопарки, почвы и поверхностные воды столичного мегаполиса испытывают масштабную антропогенную нагрузку: воздействие «кислотных дождей», антигололедных реагентов, производственных стоков, нефтепродуктов и иных загрязнителей. Это негативно влияет на здоровье людей и биоту (Шепелев Н.П., 1988; Наумов В.Д., 2000; Мосина Л.В., 2003; Белобров В.П. и др., 2012; Савич В.И. и др., 2012; Черников В.А., 2008; Яшин И.М., 2013, 2015). При миграции загрязнители проникают в грунтовые и речные воды, ухудшая их качество и экологическую безопасность. Причем в почвах происходит активная трансформация экотоксикантов. В этих условиях важно правильно выбрать и оценить фоновые почвы и экосистемы. Поэтому нами было проведено сравнительное изучение экологического состояния фоновых почв Лесной опытной дачи, Центрально-лесного биосферного заповедника в Тверской области и поверхностных вод в столичном мегаполисе за 2010-2015 гг.
Степень разработанности проблемы. Информации о сравнительном состоянии почв и поверхностных вод в мегаполисе пока недостаточно, хотя она очень актуальна для экологической оценки селитебных ландшафтов и улучшения качества жизни людей. В то же время исследования экологического состояния фоновых почв, лесопарковых экосистем и водной миграции веществ в мегаполисе проводились многими авторами (Кауричев И.С. и др., 1973, 1989, 1996; Яшин И.М., 1993, 2015; Мосина Л.В., 2003; Савич В.И., 2009; Наумов В.Д., 2009; Яшин И.М., Кузнецов П.В., Буринова Б.В., 2010; Васенев И.И. и др., 2013, 2014, 2015). Есть сведения, что в грунтовые и поверхностные воды попадают не только вещества антропогенеза (компоненты нефти, фенолы, тяжелые металлы, СПАВ и др.), но и продукты почвообразования – фульвокислоты, соединения железа, алюминия, марганца. В этой связи, усиливающиеся антропогенные нагрузки обусловливают необходимость сопряженных мониторинговых исследований за состоянием фоновых почв лесных урочищ, парков и поверхностных вод в столичном мегаполисе.
Цель исследований. Выполнить экологическую оценку загрязнения фоновых почв Лесной опытной дачи (ЛОД) РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, Центрально-лесного заповедника в Тверской области и вод реки Москвы, а также ее притоков – Яузы и Сходни в столичном мегаполисе.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: 1. Изучить морфологические признаки и физико-химические свойства фоновых почв Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (локальный фон 1) и Центрально-лесного биосферного заповедника (ЦЛГПБЗ) в Тверской области (региональный фон 2);
2. Исследовать масштаб водной миграции водорастворимых
органических веществ (ВОВ) и соединений железа в профиле почвы ЛОД, а
также аэральное загрязнение фаций ЛОД на основе химического анализа талых вод (снеговая съемка);
3. Изучить динамику и характер пространственно-временного загрязнения вод реки Москвы (и ее притоков – Яузы и Сходни) в 2010-2015 гг. в столичном мегаполисе в сравнении с фоновыми поверхностными водами ЦЛГПБЗ – реки Межа и «Большого пруда».
Научная новизна. Проведены многолетние мониторинговые
исследования экологического состояния представительного варианта фоновых почв и поверхностных вод Московского мегаполиса в сравнении с аналогичными объектами регионального экологического фона в Центрально-лесном биосферном заповеднике. Исследован масштаб водной миграции соединений железа и водорастворимых органических веществ, а также дана оценка градиента и коэффициента миграции в условиях элювиально-глеевого геохимического барьера миграции и выраженного латерального стока.
Показана принципиальная близость морфогенетического строения и
экологического состояния дерново-подзолов контактно-осветленных
супесчаных на двучленах Центрально-лесного заповедника и Лесной опытной Дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Это позволяет рассматривать последние в качестве одного из наиболее представительных фоновых объектов столичного мегаполиса, сохранившего зональные особенности почвообразования и экологические функции почв.
Исследована динамика экологического состояния вод главного водотока мегаполиса, реки Москвы, по показателям рН, БПК5, ХПК, концентрации железа, нефтепродуктов. Она отражает уровень антропогенной нагрузки на поверхностные воды в столичном мегаполисе с учетом оценки основных закономерностей их сезонной и годичной динамики, а также влияния на ситуацию ряда притоков реки Москвы.
Практическая и теоретическая значимость работы. Результаты изучения водной миграции ВОВ и ионов тяжелых металлов (в частности, Fe) в почвах лесопарковых ландшафтов бассейна реки Москва будут полезны для уточнения современной экологической ситуации в столичном мегаполисе и для выявления направленности основных процессов химического загрязнения поверхностных вод и почвенного покрова. Изученный диссертантом представительный вариант фоновых почв Лесной Опытной Дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева может быть рекомендован в качестве основного фона моренных городских ландшафтов, доминирующих в Северной части города Москвы.
Положения, выносимые на защиту:
1. В сравнительном плане изучены морфология и физико-химические свойства фоновых дерново-подзолов контактно-осветленных супесчаных, развитых на двучленных породах, ЛОД (локальный фон 1) и ЦЛГПБЗ в Тверской области (региональный фон 2), влияющих на экологическое состояние и экологическую безопасность речных вод.
2. С помощью метода сорбционных лизиметров изучены масштаб миграции
ионов Fe(III), ВОВ и их состав в фоновых почвах сосново-лиственничной
фации ЛОД РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева столичного мегаполиса.
Показано, что соединения Fe и ВОВ - активные мигранты. Они могут
проникать в грунтовые, а затем и речные воды при латеральной (боковой)
миграции. Химическое загрязнение почв на двучленных породах ЛОД
ионами ТМ увеличивается при наличии в профилях ненарушенных почв
сорбционных барьеров миграции. Почвы ЦЛГПБЗ не загрязнены ТМ и
используются в качестве региональных фоновых объектов (фон 2).
3. С целью определения аэрального загрязнения почв и сосново-
лиственничной фации ЛОД выполнена снеговая съемка. Установлено
очаговое загрязнение ТМ под кронами деревьев, которые первыми
испытывают воздействие этих экотоксикантов. ТМ в основном находятся в
составе тонкодисперсных частиц сажи, пыли и золы. Концентрация
водорастворимой формы ТМ колеблется от 0,1 до 0,4% их общей массы.
-
Экологическая оценка загрязнения вод малых рек, впадающих в Москву-реку, связана с диагностикой стоков и фоновых почв. В водах реки Яуза, например, как одном из самых загрязненных ее притоков, концентрация нефтепродуктов превышают нормативы ПДК во много раз. На экологическое состояние вод малых рек в Подмосковье, в частности, влияют распаханность почв агроландшафтов бассейна реки Москвы (53-64%), «чистые пары» и животноводческие комплексы, которые загрязняют местные водные источники – родники, ручьи, пруды и озера. Донные осадки реки Москвы также оказались загрязненными, где отмечен сброс производственных и иных сточных вод. В столичном мегаполисе нами выделены три участка вод реки с разной степенью загрязнения: 1-й - от «входа» русла реки Москвы в город до (речной участок традиционно является экологически безопасным); 2-й - центральная часть города Москвы, в пределах Садового кольца, где качество воды по нефтепродуктам и ТМ заметно колеблется как в течение года, так и вдоль русла реки; 3-й - участок выделен в нижнем течения реки, где приводит к увеличению концентрации в воде биогенных элементов, а также нефтепродуктов заметно выше значений ПДК. Наиболее загрязненными являются участки вод реки Москвы около и
-
Поверхностные воды реки Межа и «Большого пруда» фоновых таежных экосистем ЦЛГПБЗ в Тверской области характеризуются высоким содержанием водорастворимых органических веществ и Fe-органических комплексных соединений (соответственно и заметными величинами биогенного потребления кислорода - БПК) в сравнении с водами реки Москвы. Фоновые воды реки Межа и «Большого пруда» экологически безопасные: в них много рыбы (есть форель), а также и гидробионты. В последние годы на одном из участков реки Межа поселились бобры.
Степень достоверности и апробация результатов. Степень достоверности результатов полевых и лабораторных исследований подтверждается обобщением и проработкой специальной библиографии по почвоведению, экологии и гидрогеохимии по теме диссертации; обоснованным выбором числа повторностей при проведении аналитических опытов, проведением анализов в сертифицированной лаборатории с применением современных физико-химических методов диагностики веществ и химических элементов, а также апробацией полученных сведений в научных журналах, на конференциях и Европейском конгрессе по охране почв (Москва, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, май 2015). Для математической обработки полученных данных был использован метод вариационной статистики, используемый в аналитической химии и почвоведении (К. Дерфель, 1994; Е.А. Дмитриев, 2010).
Результаты исследований апробированы на заседаниях кафедры экологии в 2013-2015 гг., а также на научных конференциях РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (секция экологии), а в 2015 г. представлялись на 7-м Международном научном конгрессе Европейского общества по охране почв - Congress Materials 7th Congress of the European Society for Soil Conservations «Agroecological assessment and functional-environmental optimization of soils and terrestrial ecosystems» в Москве (18-22.05.2015); на Международной летней экологической школе MOSES-2015, в Москве (1-11.07.2015). По результатам исследований опубликовано 10 научных работ (3 статьи, 6 тезисов и материалов конференций) и 1 учебное пособие, в т.ч. 3 работы в журналах по списку ВАК.
Личный вклад автора. Автор принимала личное участие во всех этапах исследований - от формулирования проблемы до обработки результатов мониторинга и написании статей. Гареева Ирина Евгеньевна участвовала в выполнении экспериментальных исследований, обобщении и интерпретации полученных результатов, подготовке научных отчетов и публикаций.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографии; изложена на 144 страницах, содержит 26 таблиц и 29 рисунков. Фактические материалы получены автором в период 2010-2015 гг. Личный вклад автора в работу составляет 80%. Библиография включает 291 источников, из них 20 на иностранных языках.
Экологические функции водорастворимых органических веществ в почвах и экосистемах тайги
Небольшая масса ТМ поступает в почвы агроландшафтов и воды рек как с минеральными, так и с органическими удобрениями. Из минеральных удобрений наибольшая масса ТМ поступает с фосфорными удобрениями, известью, и фосфоритной мукой при фосфоритовании песчаных почв. Если применяют ОСВ, то их внесение строго нормируют по величине ОДК (остаточной допустимой концентрации), В.А.Черников с соавт. (2000, 2002).
Основными загрязнителями являются пыль и дым тепловых электростанций (ТЭС) и меловые отходы карьеров. В почвах Коломенского района варьирование содержания ТМ (по данным ГЦАС «Московский») следующее, мг/кг: Cu (2-48), Zn (2 - 94), Cd (0,2-1,9), Pb (3-36), Ni (2-27).
В пойменных дерновых почвах (Г.В. Добровольский, 1968), являющихся суперактивальными геохимическими ландшафтами, содержание ТМ заметно возрастает: в 3-7 и более раз. Это связано как с привносом ТМ при эрозии, так и при разливах рек. Например, это характерно для реки Оки, заметно загрязненной вблизи городов - Серпухов, Озеры и особенно Коломна, где происходит впадение реки Москвы в Оку. В этой связи можно рассчитать величины коэффициентов миграции kмиг ТМ по известной формуле А.И. Перельмана (1975): kмиг = mж.ф. 100/nxax (2) где: mж.ф. концентрация ионов ТМ в природной воде, мг/л; nx Кларк ТМ в почвообразующей породе (или коре выветривания) - это среднее содержание ТМ в %; ах сумма всех растворимых в речной воде веществ, мг/л. Для Москвы-реки в Коломенском районе мы использовали величины ах (в межень) 400 мг/л; mж.ф. из кн. «Техногенное загрязнение речных экосистем» (2002). Подставим опытные данные в формулу (2) для ионов Pb2+, получим значение коэффициента миграции: кмиг = 0,07-100 = 109 (3) 0,0016 400 Наиболее часто в речных водах Подмосковья диагностируются Сг, Си, Со, Zn, реже РЬ. Концентрации Fe и Мп заметно выше других ТМ. Отметим взаимосвязь концентрации ТМ в речных водах и донных осадках. Поскольку коллоиды Fe, Si, Mn, AL активно поглощают катионы ТМ и осаждаются вместе с ними (Андреева Е.Е., 2014).
Токсичность ТМ обусловлена довольно широким их распространением в земной коре (хотя и в низких концентрациях), высокой биогенной и водной миграцией и, наконец, способностью аккумулироваться в пищевых цепях и в организме животных, в том числе и человека (табл. 3). «Коварство» ТМ заключается в том, что они загрязняют почвы, воды и растения достаточно медленно (постепенно), а специалисты ориентированы на высокое содержание и «сиюминутное» воздействие на биоту по типу «доза-эффект». Такого опыта у исследователей пока не имеется, поэтому здесь возможны неожиданные экологические ситуации и непредвиденные сукцессии биоты. В этой связи нами и проводился экологический мониторинг почв и речных вод таежных и лесопарковых экосистем.
Специалисты обобщили массовый аналитический материал и представили его в виде геохимических формул - (цит. по кн. «Техногенное загрязнение речных экосистем» (2002). Это весьма удобно и наглядно.
Например, к северу от Коломны ( в 10-12 км) где имеется месторождение фосфоритов, эта формула оказалась следующая: (река) FeMnP SrF Li N CaS (эрозия) (почва растения) - Li Hg F (аэрозоли воздуха, пыль - левый верхний квадрат это химические элементы, привнесенные водными (речными) и латеральными (в т.ч. и из болот) потоками; левый нижний элементы, активно накапливающиеся здесь в почве и растениях (литий и ртуть); правый нижний элементы в составе аэрозолей и пыли (фтор, реже Si и Са); правый верхний элементы в составе твёрдого (эрозионного) стока (азот, кальций и сера), когда почвы не заняты растительностью. Рассмотрим эколого-геохимические особенности ряда ТМ и их эко-токсикологическое воздействие на организмы людей. Ртуть (Hg) может весьма активно аккумулироваться в пищевых цепях экосистем (Г.М. Варшал с соавт.,1979). Микрофлора почвы быстро приспосабливается к ядовитому действию ртути, а водорастворимые органические вещества типа фульвокислот (ФК) трансформируют Hgo в ртутьорганические соединения (табл.3). Указанные новые продукты почвообразования отличаются более высокой миграцией в почве и в поверхностных водах, а также в пищевых цепях экосистем.
Морфология фоновых почв ЦЛГПБЗ в Тверской области
Фоновый лесной стационар был выбран и заложен в Центрально-лесном биосферном заповеднике в Тверской области, в квартале 95. Здесь экологический мониторинг сотрудниками кафедры экологии ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева проводится с мая 2011 года. Центрально-лесной заповедник (ЦЛГПБЗ) расположен на водоразделе рек Русской равнины: Волги, Днепра и Западной Двины в Тверской области, в 35 км к северу от г. Нелидово. Занимает территорию с координатами 56026 -56031 c.ш. и 32029 - 33029 в.д. Абсолютные отметки варьируют от 110 до 235 м над у.м. Коренные породы – известняки. Широко распространены двучленные породы (Васильев И.С., 1959; Почвенно-геологические условия Нечерноземья, 1984; Васенев
Профили почв на фоновом стационаре кв. 95 ЦЛГПБЗ в Тверской области: А – общий вид почвенного профиля в фации ельника сложного; В – крупный план того же почвенного профиля; четко заметны «тяжи» миграции как и в почвах Лесной опытной дачи (фото И.М. Яшина, 2014). И.И., Таргульян В.О., 2009). Встречаются также морена, флювиогляциальные песчано-гравелистые отложения и покровные суглинки. Почвенный покров локально трансформирован ветровалами. Широко распространены подзолы на двучленах и болотные почвы по низинам (рис. 5).
В профилях почв на двучленных породах отмечается резкая смена гранулометрического состава (в пределах первого метра) – пески и супеси на глубине 58-67 см сменяются средними и тяжелыми суглинками, что способствует переувлажнению почв.
Сведения о климате, почвах и ландшафтах ЦЛГПБЗ содержатся в трудах заповедника (Карпачевский Л.О., Строганова М.Н., 1989; И.М. Яшина и др.,2014). Среди древесных пород преобладают еловые леса (примерно 40% площади заповедника), сосновые леса занимают небольшие участки. Луга представлена как пойменными, так и суходольными ассоциациями. Много болот, которые не только служат истоками многих рек, но и обусловливают их химический состав (рис.6). Нередко болота формируются при зарастании озер. Их важная гидрологическая роль в ландшафтах хорошо известна.
Рассмотрим морфологию почвы стационарного участка кв. 95 (район д. Красное, в 4,5 км на С-С-В от пос. Заповедный): рис 5. Плакор холмисто-увалистой мореной равнины. Фация ельника-черничника. Микрорельеф – мелко-бугристо-западинный. Множество вывалов, валежа, редко сломанные стволы деревьев. Мхами покрыта прикомлевая часть елей, на ветвях деревьев множество эпифитных лишайников. Это косвенный признак, который указывает на чистоту атмосферного воздуха.
Напочвенный растительный покров –пятнами гипновые мхи и куртины черники. Разрез 1я заложен в 2,3 м от ствола зрелой ели (рис. 4В;5А). А0(О) – 0-3 см – слабо развитая, рыхлая лесная подстилка из веточек, хвои ели, локально гипновые мхи и листья березы, переход ясный;
А1hg 3 – 10 (11) см – cлабо развитый гумусово-аккумулятивный горизонт в верхней части обогащен органогенным субстратом и детритом: влажный, светло-серый, пронизан крупными и мелкими корнями, локально угольки, супесчаный, непрочно комковатый, слабо уплотненный, червей нет, переход постепенный;
Eh 10 (11) – 32 см – элювиальный горизонт - влажный, белесо-серый, непрочно комковато-плитчатый, слабо уплотненный, супесчаный, пропитан ВОВ до глубины залегания корней, редкие Fe-Mn конкреции, много мелких камней, переход заметный по цвету и плотности;
Вftr 32 – 39 cм – трансформированный иллювиально-железистый горизонт компонентами ВОВ – сырой, супесчаный, липкий (заиленный), средне уплотненный, палевый со слабым серым оттенком, локально Fe-Mn темно-бурые мелкие и прочные конкреции, камни, переход ясный по цвету и плотности;
EL g 39–52 cм – контактно-осветленный (точнее контактно-глееватый) горизонт – сырой, плитчатый, белесый с палево-сизым оттенком, среднесуглинистый, очень плотный, щебень и камни, корни единичные, много Fe-Mn конкреций и бурых примазок по граням структурных отдельностей, переход «языковатый», мелкие «языки» - белесые;
В2g 52–84 cм – второй иллювиальный горизонт (сорбционный минеральный барьер миграции – водоупор) – сырой, красновато-бурый, очень плотный (до слитого), глыбистый, тяжелый суглинок, включения камней и щебня. Глубже проходка затруднена из-за присутствия камней и валунчиков. От 10% раствора НСL почва не вскипает по всему профилю. Грунтовые воды в конце мая 2011 г. находились на глубине 124 см, осенью 2011 – глубже 2,5 м (при бурении), а в мае 2014 года на глубине 143 см.
Почва – дерново-подзол контактно-осветленный супесчаный на двучленных отложениях. Одной из важных экологических особенностей бассейна реки Москвы в столичном мегаполисе является, с одной стороны, впадение притоков рек Яузы и Клязьмы, которые обычно сильно загрязнены экотоксикантами (компонентами нефтепродуктов, соединениями железа и др.). С другой стороны – в реку Москву сбрасываются антигололедные реагенты, смывы моечных средств с улиц огромного мегаполиса и плавсредств, а также плохо
Схема бассейна реки Москвы с притоками от истока до устья. очищенные бытовые и производственные сточные воды. Загрязнители поступают также с плохо очищенными ливневыми и талыми водами с промышленных площадок и нарушенных территорий (строительные объекты, котлованы, свалки и др.). Для сравнительной оценки гидрохимического состава и загрязнения поверхностных вод реки Москвы нами исследовались воды реки Межа и Большого пруда (рис.7,8) в ЦЛГПБЗ Тверской области. Наблюдения за составом поверхностных вод (фоновых и в столичном мегаполисе), их свойствами и загрязнением осуществляли в динамике, по сезонам года. При этом нами учитывалась не только антропогенная нагрузка на поверхностные воды, но и возможное их загрязнение за счет нативных компонентов таежных ландшафтов: почвообразующих и подстилающих пород, почвенного и растительного покровов.
Гидрохимический состав поверхностных вод фонового стационара ЦЛГПБЗ в Тверской области
Исследование морфологии и физико-химических свойств (табл.11,13) дерново-подзолов супесчаных на двучленных породах ЦЛГПБЗ позволило выявить яркую сезонную динамику их свойств. Другой особенностью таких почв является резкая ненасыщенность гумуса и почвенных минералов ионами щелочноземельных оснований вследствие чего во все сроки наблюдений отмечена очень сильнокислая реакция (рН 3,6-4,2) и высокая гидролитическая кислотность (2,4-20,4 мг-экв./100 г) по всему профилю. Кислотность способствуют водной миграции веществ. Динамика доступных форм фосфора и калия связана с биогеохимическим круговоротом веществ; в элювиальных горизонтах она минимальная, а самом верхнем и иллювиальном достигает максимума. Сезонную динамику свойств подзолов обусловливают ВОВ, плесневые грибы-кислотообразователи, избыток влаги по микрозападинам, а также трансформация и миграция соединений Fe, AL, Mn, Si. Особая роль в вуализации профилей песчано-супесчаных подзолов и дерново-подзолов на двучленах принадлежит соединениям железа. Это наглядно заметно в дерново-палево-подзолистой почве на двучленах под луговой растительностью ЦЛГПБЗ. Избыток влаги здесь сохраняется долго, способствуя трансформации соединений железа и почвенных минералов. Профили подзола и дерново-подзола на двучленах под древесной растительностью (другая стационарная площадка находится в 45 м) заметно иссушены вследствие транспирации хвойными породами и очень плотные с глубины 45-57 см. Поэтому в зоне тайги (в частности, в подзонах средней и северной) на вырубках наблюдается заболачивание, а подзолы трансформируются сначала в подзолисто-глеевые почвы, а затем и в болотно-подзолистые. В подзоне южной тайги на вырубках отмечено формирование лугов (И.М. Яшин, 2013).
Возможен еще один вариант трансформации почв ЦЛГПБЗ на двучленах, в частности, при отсутствии ярко выраженного элювиального горизонта в профиле дерново-палево-подзолистой грунтово-глееватой почвы на двучленах. В таком случае под горизонтом А1 располагаются завуалированные гидрогелями Fe(OH)3 и ВОВ горизонты Вftr, EL g, В2g, ВС и С. Подобный однородно окрашенный профиль некоторые авторы именуют как бурозем (см. рис. 12), что, конечно же, противоречит как самой почве, так и процессу буроземообразования, характерному, например, для ландшафтов Карпат и Дальнего Востока с муссонным типом климата. Буроземообразование связано с внутрипочвенным оглиниванием in situ. Вообще, для почв с двучленным сложением профиля некорректно рассчитывать коэффициенты подзолообразования. Параметры оценки водного баланса такой почвы в лесу могут быть ошибочными из-за латерального привноса воды и веществ в условиях холмисто-увалистого рельефа. Верхние слои песчаного миниподзола отличаются почти провальной фильтрацией, а контактно-осветленные и более глубокие – очень слабо сбрасывают избыток влаги, вызывая анаэробиозис подзолов и дерново-подзолов супесчаных на двучленах (Л.О. Карпачевский и др., 1989).
Экологическое направление в изучении почв учитывает как их сложение, свойства, так и биогеохимический круговорот органического углерода, формирующий при фотосинтезе и гумификации низкомолекулярных органических кислот (НМОК), фульвокислот (ФК) и полифенолов с кислотными и другими свойствами с помощью плесневых грибов-кислотообразователей (Penicillium…)на уровне экосистемы.
Валовое содержание ТМ (Zn, Cu, Ni…) в дерново-подзоле на двучленах очень низкое (табл.12), что обусловлено, по-видимому, функционированием барьеров миграции – горизонтов В, ВС и С на фоне очень слабого аэротехногенного загрязнения ландшафтов ЦЛГПБЗ. В то же время и такое незначительное содержание ТМ все же будет сказываться на экологической безопасности ягод, грибов и природных вод. Поскольку коэффициенты биогенного накопления у ионов ТМ очень высокие (В.А. Черников и др., 2009). Уместно подчеркнуть, что генезис почв ЦЛГПБЗ изучается с 30-х годов прошлого столетия. Большой вклад в познание почвенного покрова, свойств и режимов почв заповедника внесли специалисты МГУ имени М.В. Ломоносова (Л.О. Карпачевский и др., 1987; Соколова Т.А. и др., 1997). Института Географии РАН, Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцева РАН, сотрудники Центрально-лесного заповедника, а также Почвенного института имени В.В. Докучаева - Роде А.А. (1971) и др.
С 2011 г. исследование почв и экосистем ЦЛГПБЗ стали активно проводить специалисты кафедры экологии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, в частности, и по грантам РФФИ, Правительства РФ.
Экологическая оценка загрязнения вод притоков и реки Москвы в мегаполисе в сравнении с фоновыми поверхностными водами Центрально-лесного заповедника
Как было отмечено нами ранее, среди притоков реки Москвы наиболее загрязненными являются воды рек Яуза и Клязьма. Поэтому этим речным водам и было уделено основное внимание. Источниками загрязнения поверхностных вод служат плохо очищенные производственные и жилищно-бытовые стоки, смывы антигололедных реагентов с асфальтированных улиц и тротуаров столичного мегаполиса, а также естественные продукты почвообразования – компоненты ВОВ, железо-органические комплексные соединения, частицы пыли, сажи, золы и многие другие.
В этой связи отметим следующие экологические особенности лесопарковых экосистем в мегаполисе. С экологической точки зрения лесопарки, в частности, в городе Москве – защитный экран, он принимает на себя большую антропогенную нагрузку. Растительность лесопарков выполняет функции первого экологического экрана, заметно очищая воздух от газообразных загрязнителей. Это зона отдыха. Почвенный покров лесопарков является вторым защитным экраном от жидких загрязнителей. В почвах протекают основные процессы трансформации и водной миграции веществ. Являясь комплексным барьером миграции, почвы защищают грунтовые и речные воды от быстрого и масштабного загрязнения экотоксикантами. Третьим экраном выступают карбонатно-кальциевые почвообразующие и подстилающие породы, поглощающие многие мигранты – компоненты нефти, фенолы, антигололедные реагенты и др. Наряду с антропогенными источниками загрязнения поверхностных вод следует отметить и естественные. Они являются следствием таких процессов почвообразования как глее- и подзолообразование, лессиваж, гумусообразование (формирование мобильных компонентов ВОВ) и выщелачивание при промывном водном режиме. Причем, реакции трансформации почвенных минералов, например, в почвах лесопарков мегаполиса происходит из-за направленного воздействия продуктов жизнедеятельности групп живых организмов таёжных экосистем, в частности ВОВ (и фульвокислот), на подзолистую почву. Целью такого воздействия является эффективные поиск и усвоение макро- и микроэлементов питания, находящихся в труднодоступном и рассеянном состоянии в горизонтах почвы. С помощью биогенного кислотообразования живые организмы успешно адаптируются к суровым почвенно биоклиматическим условиям тайги, формируя среду обитания – подзолистую почву. ВОВ в профиле подзолистой почвы взаимодействуют в динамическом режиме. Продукты реакций периодически отчуждаются из фаз сорбции-десорбции, а в почвенную систему поступают новые порции органических (и иных) веществ и энергии в форме компонентов ВОВ и гравитационной воды. Остаточные продукты почвенных реакций постепенно накапливаются в горизонтах почвы. В составе ВОВ содержатся, в частности, низкомолекулярные органические кислоты, альдегиды, кетоны, низшие спирты, являющиеся поверхностно-активными веществами (ПАВ) , резко уменьшающими силу поверхностного натяжения растворов в почвенных капиллярах, что влияет на скорость и направленность водных потоков, химическую и биохимическую активности почв (Яшин И.М., 1993).
Поверхностно-активные свойства ПАВ зависят, прежде всего, от числа метиленовых групп в углеводородной цепи, природы и содержания полярных функциональных групп (активно реагирующих с молекулами воды): –ОН, –СООН, –NH2, –NO2, –SO3H, –COONa и др. Дифильные молекулы ПАВ способны взаимодействовать с полярными и неполярными средами.
Величина поверхностного натяжения у чистой воды при t = 20оС составляет 74,2, у этанола – 22,4, а у уксусной кислоты – 27,6 мДж/м2 (мН/м). Поскольку ПАВ часто диагностируются в поверхностных водах, кратко отметим их особенности. ПАВ могут сорбироваться как на твёрдой поверхности почвенных капилляров, так и на границе раздела фаз, в частности жидкость - газ. Если по химическому составу и свойствам поверхность твёрдой фазы гидрофобная {гумусовые соединения), то из почвенного раствора молекулы ПАВ сорбируются не только на твёрдой поверхности, но и на границе раствор - почвенный воздух. При этом на межфазной поверхности молекулы ПАВ располагаются в виде слоёв в соответствии с правилом уравнивания полярностей Ребиндера и уравнения сорбции Ир. Лэнгмюра (цит. по И.М. Яшину, 1993). В результате значения величин ат ж и аж г уменьшаются и согласно уравнению Юнга (угол смачивания cos 9 = а31——) поверхность с гидрофобными микро зонами почвы смачивается значительно лучше. С увеличением сорбции ПАВ (а они есть в составе ВОВ, в нефтепродуктах и др.) поверхность почвенных минералов (матрицы) гидрофилизуется (модифицируются), а параметр гидрофобности, например, инертного гумуса заметно уменьшается. Если поверхность почвенных агрегатов гидрофильная (гидроксиды алюминия и железа, кварцевый песок…), почвенный раствор хорошо смачивает её, а сорбция ПАВ на ней, как правило, не происходит. В этом случае изменение краевого угла смачивания (cos 9) связано в основном с уменьшением поверхностного натяжения на границе раздела фаз жидкость - газ. В реальных почвах значения cos 9 зависят и от электрокинетического - дзета-потенциала, что особенно типично для солонцов и солончаков (В.А. Черников и др., 2013). В почвах подзолистого типа дзета-потенциал небольшой - менее 10 мВ.
Вернемся к оценке загрязнения поверхностных вод ТМ. Небольшая масса ТМ поступает в почвы агроландшафтов как с минеральными, так и с органическими удобрениями (табл.22) при этом постепенно происходит химическое загрязнение почв. ТМ со временем накапливаются в почвах, загрязняя продукты растениеводства и корма. Затем ТМ поступают в продукты животноводства (молоко, творог, сметану, масло, мясо) и в организмы людей. Причем, в каждом звене пищевых (трофических) цепей содержание ТМ увеличивается, достигая максимума в организмах людей.