Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные направления трансформации почвенного покрова города 13
1.1. Загрязнение почв как основной процесс антропогенеза 15
1.2. Влияние хозяйственной деятельности на динамику почвенных свойств 35
1.3. Методологические подходы к оценке степени загрязнения почв 49
Глава 2. Объекты и методы исследования 62
2.1. Характеристика условий и объектов исследований 62
2.1.1. Геоморфология и почвенный покров 63
2.1.2. Климат 74
2.1.3. Основные источники антропогенного воздействия на состояние окружающей среды в г. Н. Новгороде 76
2.2. Методика проведения исследований 79
2.2.1. Методика пробоотбора и характеристика функциональных зон города 80
2.2.2. Методы лабораторных исследований 87
Глава 3. Кислотно-основные свойства почв города 91
3.1. Влияние видов функционального воздействия на показатели кислотно-основного состояния городских почв 94
3.2. Оценка устойчивости реакции почвенной среды по кислотно-основной буферности 105
3.2.1. Кислотная буферность 105
3.2.2 Щелочная буферность 112
Глава 4. Оценка гумусного состояния городских почв 121
4.1. Особенности пространственного распределения почв с различной обеспеченностью органическим веществом в пределах урболандшафтов 123
4.2. Качественная характеристика гумусовых веществ антропогенно преобразованных почв 135
Глава 5. Биогенные элемененты в почвах города 147
5.1. Аккумуляция подвижных форм фосфора и калия в почвах различных функциональных зон 148
5.2. Профильное распределение элементов в городских почвах 154
Глава 6. Загрязнение почвенного покрова заречной части г. н. новгорода тяжелыми металлами 158
6.1. Свинец 161
6.2. Кадмий 176
6.3. Цинк 183
6.4. Медь 192
6.5. Никель 200
6.6. Хром 207
6.7. Распределение металлов в почвенном профиле 211
Глава 7. Методы анализа данных по загрязнению городских территорий 219
7.1. Использование расчетных интегральных показателей при оценке степени загрязнения почвы 219
7.2. Биологический отклик экосистемы как интегральный показатель загрязнения почв 250
7.2.1. Применимость методов биотестирования при оценке загрязнения почв 250
7.2.2. Использование показателей биологической активности почвы при экологическом мониторинге 261
7.3. Анализ взаимосвязи между содержанием тяжелых металлов в почве и ее основными характеристиками 273
Глава 8. Идентификация источников загрязнения почвенного покрова 287
8.1. Некоторые методические подходы к идентификации источников загрязнения 289
8.2. Опыт использования методики идентификации источника загрязнения на примере полигона промышленных отходов ОАО «ГАЗ» 303
Выводы 315
Предложения производству 319
Список использованной литературы
- Методологические подходы к оценке степени загрязнения почв
- Основные источники антропогенного воздействия на состояние окружающей среды в г. Н. Новгороде
- Оценка устойчивости реакции почвенной среды по кислотно-основной буферности
- Профильное распределение элементов в городских почвах
Введение к работе
Актуальность
Эффективная политика в области охраны окружающей среды, декларированная в действующем природоохранном законодательстве, может осуществляться только на основе полной информации о характеристике природных объектов и комплексной оценке полученных данных. Признавая важность оценки состояния всех природных сред, вместе с тем, особо следует подчеркнуть актуальность оценки состояния почвы, которая, в силу своей специфики, является средой, депонирующей загрязняющие вещества и во многом определяющей устойчивость экосистемы к негативному антропогенному воздействию. Ее роль долгое время недооценивалась, что выразилось в отсутствии должного внимания как к экологическому мониторингу почвы, так и к системе нормирования в этой области.
В настоящее время ситуация изменилась, однако исследования по оценке антропогенного воздействия на почвенный покров городов и крупных населенных пунктов в основном осуществляются только с целью санитарно-гигиенической характеристики территорий, что накладывает свой отпечаток на формирование программы исследований. В большинстве случаев в программу включают контроль основных токсикантов и интерпретацию полученных данных на базе использования ПДК и фоновых значений. В результате таких наблюдений почва рассматривается исключительно как субстрат без учета выполняемых ею экологических функций (Добровольский, Никитин, 2000; Добровольский, 2007). Такая ситуация характерна практически для всех исследований, проводимых в рамках государственных программ, осуществляемых Росгидрометом и другими ведомствами, что ограничивает возможность использования полученных данных в принятии управленческих решений.
Кроме этого, большинство научных работ и государственных программ мониторинга состояния почвенного покрова априори являются неполными, поскольку крайне редко исследованием охватываются почвы промышленных зон, что связано с ограниченным допуском сторонних лиц на территорию предприятий. В итоге участки земель, в наибольшей степени трансформированные техногенным воздействием, остаются практически неизученными.
В связи с этим существует острая необходимость проведения более глубокого анализа состояния городских почв по следующим направлениям: 1) изучение базовых почвенных характеристик в условиях интенсивной антропогенной нагрузки; 2) оценка специфики и степени воздействия различных видов хозяйственной деятельности человека на загрязнение почвенного покрова, в том числе на территории промышленных зон.
Актуальность первой задачи обусловлена тем, что только на основе информации о содержании и качестве органического вещества, физико-химических и других характеристик почвы возможна ее оценка как геохимиче-
ского барьера на пути миграции токсикантов, в значительной степени определяющего качество среды обитания человека и самоочищающую способность экосистем (Ковда, 1985; Мотузова и др., 1989; Черников и др., 2000, 2004; Макаров, 2002; Никитин, 2005).
Необходимость исследований в рамках второго направления во многом вызвана крайне неблагоприятным состоянием окружающей среды в зоне интенсивной хозяйственной деятельности, особенно в городах (Экогеохимия..., 1995; Химический состав ..., 2009; Государственный доклад ..., 2010; Динамика изменения ..., 2010), и необходимостью, в связи с этим, разработки системы мероприятий по реабилитации и охране природных объектов на таких территориях, включая промышленные площадки и участки размещения отходов производства и потребления. Решение этой задачи возможно только на основе полной информации о специфике современного состояния природных сред и, прежде всего, почвы. Более того, востребованность такого направления обусловлена увеличением экономической значимости результатов исследования почв, связанных с определением размера экологических платежей от субъектов хозяйственной деятельности.
Следует отметить, что кроме наличия информации о загрязнении, крайне важным является ее объективная интерпретация (особенно когда речь идет о комплексном загрязнении), а также идентификация источника загрязнения. Проблема выявления причин и виновников загрязнения стала особенно актуальной в последние несколько лет в свете усиления борьбы с экологическими правонарушениями, одним из наиболее действенных инструментов которой является судебная экологическая экспертиза (Омельянюк, 2004; Никифоров, 2004). Практика, однако, показывает, что методика и методология экологической и почвоведческой экспертизы нуждаются в совершенствовании.
В связи с этим особую актуальность приобретают исследования, программа которых ориентирована на определение уровня загрязнения территорий с учетом базовых почвенных характеристик и комплексного характера загрязнения, а также разработка методологии и методических подходов к решению названных выше задач.
Цель и задачи исследования
Целью исследования являлась экологическая оценка регионально-типологических особенностей техногенно загрязненных почв различных функциональных зон города с интенсивной промышленной и транспортной нагрузкой на примере заречной части Нижнего Новгорода и разработка методических подходов к оценке полиметаллического загрязнения с использованием интегральных расчетных показателей, биологического отклика системы, а также приемов идентификации источников загрязнения.
В рамках проведения работы решались следующие задачи:
изучение специфики кислотно-основного состояния городских почв и их буферности в зависимости от природных особенностей территории Верхнего Поволжья и уровня техногенной нагрузки;
характеристика органического вещества почв урболандшафтов низинного заречья г. Н. Новгорода (по содержанию органического углерода, групповому и фракционному составу гумуса), а также уровня их обеспеченности подвижными формами фосфора и калия;
выявление типологических особенностей формирования аккумуляций отдельных тяжелых металлов (ТМ) в почве (свинца, кадмия, цинка, меди, никеля, хрома) в связи с функциональным использованием территории, в том числе на промышленных площадках крупного предприятия машиностроительной отрасли;
анализ степени подвижности тяжелых металлов в почвах техногенно преобразованных ландшафтов низинного заречья Верхней Волги и выявление факторов, определяющих мобильность токсикантов, а также корреляционных связей между ними;
комплексная экологическая оценка загрязнения почв г. Н. Новгорода тяжелыми металлами по стандартному (суммарный коэффициент загрязнения) и авторскому (интегральный оценочный балл) расчетным показателям и их сравнительный анализ;
определение токсичности почв промышленных площадок и рекреационных зон методом биотестирования с использованием в качестве тест-объектов семян культурных растений и показателей активности почвен-но-биотического комплекса;
обоснование региональной системы эколого-геохимической идентификации источников загрязнения и ее апробация на примере промышленной зоны г. Нижнего Новгорода.
Научная новизна
Сформирована база данных по показателям химического состава почв заречной части г. Н. Новгорода, включающая в себя информацию об обеспеченности почв биогенными элементами, содержании и характеристике качественного состава органического вещества, концентрации тяжелых металлов, кислотно-основному состоянию почв. Исследование проведено по функциональным зонам, из которых промышленная зона, включающая в себя промышленный узел автозавода, обследована впервые: детально изучены почвы промышленных площадок с учетом расположения отдельных производств, а также мест размещения отходов, характеризующихся специфическим влиянием на природные объекты.
Определена предельная кислотная и щелочная нагрузка на почвы с различными природными свойствами и степенью антропогенной нагрузки, а также устойчивость реакции почвенной среды на подкисляющее и подщелачивающее воздействие в отдельных диапазонах рН.
Произведена оценка степени загрязнения почв различных функциональных зон низинного заречья Нижнего Новгорода в соответствии с общепринятыми критериями, а также рассмотрен состав ассоциаций металлов в зависимости от расположения и характера влияния основных источников загрязнения на окружающую территорию. Дано обоснование целесообразности применения интегрального показателя степени загрязнения, отражающего совокупное действие тяжелых металлов с учетом степени их опасности для окружающей среды, при оценке почв города.
Разработаны и опробованы на региональном уровне методические подходы к идентификации источников загрязнения почвенного покрова и описанию формирующихся техногенных аномалий, учитывающие наличие в почвах элементов-индикаторов, состав и соотношения элементов-загрязнителей, их профильное распределение, а также степень контрастности формирующихся техногенных аномалий.
Основные положения, выносимые на защиту
отличительной особенностью техногенно преобразованных почв низинного Заречья является их высокая кислотно-основная буферность, высокое содержание углерода и специфичный состав органического вещества, а также высокая обеспеченность подвижными формами биогенных элементов;
приоритетными загрязняющими веществами почв г. Н. Новгорода являются цинк, медь и свинец, уровень аккумуляции, подвижность и контрастность площадного распределения которых определяется функциональным использованием территории;
интегральный оценочный балл, учитывающий совокупное действие тяжелых металлов с учетом степени их опасности для окружающей среды, характеризует экологическое состояние почв более объективно, чем широко используемый суммарный коэффициент загрязнения;
биотестирование загрязненных почв с использованием семян культурных растений может использоваться при характеристике степени опасности полиметаллического загрязнения городских почв (за исключением агро-техногенной зоны); показатели биологической активности не всегда коррелируют со степенью загрязнения почвы в силу их высокой чувствительности к действию других факторов;
основными критериями, которые могут использоваться в процессе идентификации источника загрязнения тяжелыми металлами, являются наличие или отсутствие в почве индикаторного элемента, оценка качественного состава загрязняющих веществ, их распределение по профилю и степень контрастности загрязнения.
Практическая значимость и реализация результатов исследований Результаты работы используются в ходе оценки воздействия на окружающую среду со стороны промышленных объектов автозавода, для составле-
ния регулярной экологической отчетности, предоставляемой в специально уполномоченные органы в области охраны окружающей среды, а также для разработки природоохранных мероприятий с привязкой к функциональным зонам. С учетом полученных результатов осуществляется разработка перечня природоохранных мероприятий в ОАО «ГАЗ». Программа исследования почв промышленных зон ОАО «ГАЗ» и его результаты являются составной частью материалов, представляемых на экологическую экспертизу для получения лицензии на обращение с отходами ОАО «ГАЗ».
Информационная база, сформированная на основе исследований, используется в ходе общественных слушаний проекта застройки городских территорий (рекреационных зон заречной части г. Н. Новгорода), а также в процессе экологического проектирования объектов хозяйственной и иной деятельности административных районов города.
Методологические и методические подходы к идентификации источников загрязнения использованы при разработке нормативно-методических документов для обеспечения судебной экспертной деятельности в области экологической экспертизы почвенного покрова.
Результаты исследований, а также разработанные автором подходы к их оценке, применяются в процессе преподавания дисциплин: экотоксикология, экологическая экспертиза и оценка воздействия на окружающую среду, охрана окружающей среды и рациональное природопользование, методы агрохимических и экологических исследований, экономика природопользования и экологический мониторинг для студентов экологических специальностей в Нижегородской ГСХА и Волжском государственном инженерно-педагогическом университете.
Апробация работы
Результаты исследований были доложены на международных съездах, симпозиумах и конференциях (Санкт-Петербург, 2000; Суздаль, 2000; Пенза, 2002, Новосибирск, 2004; Владимир, 2005; Москва, 2007; Нижний Новгород, 2004, 2005, 2008, 2011), всероссийских научно-практических конференциях в высших учебных и научно-исследовательских заведениях городов Н. Новгорода (1998, 2002), Москвы (2002, 2005), всероссийской школе «Экология и почвы» (2001, 2006), региональных научно-практических конференциях (Н. Новгород, 1998, 2000, 2002), а также на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Нижегородской ГСХА (1998-2010).
Общее количество опубликованных работ представлено 78 наименованиями (личное участие обозначено в 61,5 усл. печ. листов).
Полученная информационная база, а также подходы к оценке загрязнения и идентификации источников опробованы и широко используются в ходе осуществления экологического менеджмента Управлением экологии ООО «ГАЗ» (ныне ООО «Технопарк), а также при проведении судебной экологической экспертизы.
Структура и объем диссертации
Методологические подходы к оценке степени загрязнения почв
Одним из наиболее значимых источников загрязнения природных сред тяжелыми металлами является цветная металлургия. Статистические данные свидетельствуют о ежегодном поступлении в атмосферу из этого источника на территории бывшего СССР более 6 тысяч тонн кадмия (0,2-13,0 г/т продукции) и 40 тысяч тонн свинца (40-60 г/т продукции) (Атмосфера..., 1991). Кроме того, предприятия цветной металлургии выделяют в окружающую среду такие элементы, как медь, никель, цинк, олово, ванадий, мышьяк (Им-пактное загрязнение..., 1986; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Экологические исследования..., 1990; Нестеренко, 1995; Ладонин, 1995, 2002; Переверзев и др., 2002; Макунина, 2002; Васенев, Щербаков, 2002; Сысо, 2007; Shumann, Haase, 1988).
В Великобритании (Шипхэм) на территории старых рудных разработок обнаружены экстремально высокие концентрации металлов (Cd, Zn, Hg, Pb). Содержание ртути в почвах прилегающих сельскохозяйственных угодий достигало 1000 мг/кг, а в садовых почвах - 360 мг/кг, в то время как фон составлял 0,6 мг/кг (Abrahams, 2002).
В почвах территорий, прилегающих к некоторым промышленным центрам Словакии, коэффициент суммарного загрязнения металлами превышал 40 единиц, причем концентрация кадмия превышала фон до 67 раз, свинца -до 15, цинка - до 8 и меди - до 20 раз. При этом содержание указанных металлов в растениях превышало фоновое в 2-6 раз, особенно значительно по меди (Гелетюк, Маньковска, 1990). В Румынии вблизи от металлургического комбината Копша Микэ обнаружены значительные концентрации свинца, цинка, кадмия и меди в почве, растениях и подстилке. В слое 0-10 см содержание этих элементов соответственно достигало 552, 791, 22,6 и 77,3 мг/кг (Rauta et al., 1988). В районе предприятия цветной металлургии в Галле (Германия) отмечено восьмикратное превышение фона по свинцу (386 мг/кг) (Shumann, Haase, 1988).
На территории бывшего СССР в зонах влияния предприятий цветной металлургии высокие концентрации ртути, превышающие ПДК в 10 раз и более, отмечались в почвах вблизи Никитовки, Хайдаркена. Самое высокое содержание свинца (5800 мг/кг) наблюдалось в почве вокруг Рудной Пристани. Там же имели место высокие концентрации марганца - до 8100 мг/кг (Импактное загрязнение..., 1986). В Норильске выбросы никелевого комбината стали причиной гипераккумуляции меди (3000-4000 мг/кг), никеля (1500-2000 мг/кг), кобальта (до 100 мг/кг) (Экогеохимия..., 1995). Согласно более поздним исследованиям, концентрация металлов в почвах газонов этого города в среднем составляла: меди - 3650 мг/кг, никеля - 902 и кобальта -414 мг/кг (Яковлев и др., 2007). Аналогичная ситуация сложилась в зоне влияния комбината «Североникель» (г. Мончегорск), где содержание меди в 30-50 (в отдельных случаях до 160), а никеля в 30-75 раз превышало ПДК (Опекунова, Елсукова, 2007).
Выбросы предприятий черной металлургии также являются источником загрязнения почвы рядом металлов: свинцом, кадмием, никелем, марганцем, хромом. Так, в почвах вокруг городов с развитой металлургической и горнообогатительной промышленностью обнаружены превышения ПДК марганца в 24 раза (Импактное загрязнение..., 1986). Самое высокое содержание свинца в почве среди городов с преобладанием предприятий черной металлургии наблюдалось в Кривом Роге (7 ПДК); марганца - в Коммунарске (18 ПДК), Запорожье (3 ПДК), Кривом Роге (3 ПДК), Нижнем Новгороде (3 ПДК); ванадия - в Актюбинске, Бекабаде, Нижнем Новгороде (1-2 ПДК). На одну тонну продукции предприятий черной металлургии в атмосферу выбрасывается 40-60 г свинца (всего около 370 тыс. т в год) и 0,1-0,2 г кадмия (всего 60 т в год) (Атмосфера..., 1991).
Предприятия химической промышленности также вносят вклад в выбросы металлов. Выявлено возрастание содержания запасов свинца (Литви нович, Павлова, 1996а) и меди (Литвинович, Павлова, 19966) в радиусе 10 км от предприятий по производству фосфорных удобрений. Почвы г. Волгограда, находящиеся под влиянием ОАО «Химпром», загрязнены цинком (до 8,9 ПДК), мышьяком (до 6,3 ПДК), медью (5,5 ПДК), кадмием (до 2,1 ПДК) и другими элементами (Динамика изменения ..., 2010).
В зоне влияния ТЭЦ тоже обнаруживаются повышенные концентрации ряда металлов. На предприятиях теплоэнергетики на 1 МВт/час выбрасывается около 0,4-2,6 г свинца и 0,04 г кадмия (Атмосфера..., 1991). Установлено, что в зоне воздействия Рязанской ГРЭС при сочетании определенных условий рассеяния концентрация РЬ в осадках может достигать 700 мкг/л, а в атмосферных аэрозолях - 41000 мг/кг (Агроэкология техногенно ..., 2003). Однако влияние предприятий энергетической отрасли обычно трудно выявить, так как в городах они являются не единственными источниками загрязнения почв. Кроме того, выбросы загрязняющих веществ зависят от состава используемого топлива (Тарашкявичус, Сает, 1994; Черных, Поповиче-ва, 2000). Так, в зоне влияния (1-20 км от источника выбросов) одной из крупнейших тепловых электростанций России (Новочеркасской ГРЭС) содержание тяжелых металлов в почве превышает допустимый уровень по кадмию в 2,4 раза, свинцу - в 2 раза, хрому - до 1,6 раз, цинку - в 1,4 раза. В качестве топлива при этом используется уголь, обогащенный данными элементами (Микробиологическая активность ...,2010).
Основные источники антропогенного воздействия на состояние окружающей среды в г. Н. Новгороде
Так, природоохранное законодательство, действующее в России, предусматривает санитарно-гигиеническое нормирование. Цель этого нормирования заключается в минимизации негативного воздействия загрязнения на здоровье человека, а главный критерий - миграция токсикантов по пищевой цепи, поступление в продукты питания и организм человека. В результате практически не учитывается ущерб, который загрязнение наносит другим компонентам экосистемы. Подобная система нормирования изначально не может обеспечить сохранность экосистем (Биогеохимические основы ... , 1993; Воробейчик и др., 1994; Соколов, 1995). В исследованиях Колесникова и Жаркова (2007) получено, что при содержании металлов в черноземной почве (одной из самых геохимически устойчивых) на уровне ПДК наблюдается ухудшение состояния почвенно-биотического комплекса и нарушение ее экологических функций, в то время как, согласно сути ПДК, этого происходить не должно.
ПДК в почвах разрабатываются без учета многообразия почв, в частности, их буферных свойств. Между тем, почвы различаются по природному элементному составу (фон), имеют неодинаковую способность к инактивации тяжелых металлов, неодинаковые адаптационные возможности микробного комплекса и т. д. Все это определенным образом влияет на реальную опасность металлов для биоты (Найштейн, 1974; Найштейн и др., 1975; Методические рекомендации..., 1982; Степанов, 1982; Черных, Ладонин, 1995; Яшин и др., 2003). По этой причине система единых национальных нормати BOB уже давно подвергается справедливой критике. По мнению ряда ученых, экстраполяция единых величин ПДК на все территории без учета региональных особенностей представляется несостоятельной (Обухов, 1990; Ильин, 1995; Хаустов, Редина, 1999; Мусихина, 2001; Макаров, 2002).
В результате возникают ситуации, когда фоновое содержание металлов в почве, обусловленное их концентрацией в материнской породе и условиями почвообразования, превышает действующие ПДК (Обухов, Ефремова, 1988; Черных, Ладонин, 1995). Так, исследованиями Назаренко и Минкиной (1994), проведенными в Ростовской области, установлено, что фоновые концентрации свинца в почвах региона варьируют от 20 до 35 мг/кг, зачастую превышая установленную ПДК (32 мг/кг). Фоновое содержание мышьяка в почвах этой области составляет 14-18 мг/кг, что значительно превышает норму содержания элемента, установленную на уровне 10 мг/кг. Если же применить рекомендуемую ПДК ванадия, равную 150 мг/кг, то окажется, что большая часть юга России загрязнена этим элементом. Подобная ситуация сложилась и с хромом. Пределы колебаний его содержания составляют 48-150 мг/кг, что превышает не только отечественные (50 мг/кг), но и зарубежные ПДК (100 мг/кг).
Таким образом, применение ПДК или аналогичных нормативов для почв не позволяет дать реальную оценку экологического состояния почв. С другой стороны, они полезны в связи с тем, что вероятность недооценки загрязнения в этом случае сведена к минимуму (Chapman et al., 2003).
В последнее десятилетие указанные недостатки использования ПДК для почв частично компенсируется введением ОДК. Они рассчитаны для шести тяжелых металлов и имеют по три численных значения для различных условий, что делает их применение более обоснованным и гибким. Однако перечень природных условий, при которых они применимы, не исчерпывает разнообразие свойств почв не только России, но даже юга ее европейской части.
Таким образом, использование в экологических исследованиях только значений ПДК не позволяет реально оценить степень загрязнения территории. Для этого, помимо ПДК, необходимо принимать во внимание фоновое (то есть, характерное для данного типа почв в условиях отсутствия антропогенного привноса вещества) содержание элемента в почвах (Геохимия ..., 1990; Яшин и др., 2003).
Кроме рассмотренных проблемных моментов системы нормирования, вызывает сомнение полнота перечня показателей, на основе которого делается заключение о степени загрязнения почв тяжелыми металлами. Так, при оценке загрязнения почв указанными токсикантами, как правило, определяют их валовое содержание и, реже, содержание подвижных форм (аммонийно-ацетатный буфер с рН 4,8). Ряд исследователей отмечает, что этого недостаточно. По их мнению, необходимо учитывать, прежде всего, доступные формы металлов, поскольку именно этим определяется степень их опасности. В качестве вытяжки для определения таковых предлагаются сильные органические хелатирующие агенты, в частности ЭДТА (Соловьев, 1989; Sauve et al., 1998) или слабые растворы кислот (Allen et al., 2001).
Для более объективной оценки степени загрязнения почв предлагается использовать метод последовательных экстракций, который позволяет определить следующие формы: легкорастворимые, связанные с органическим веществом и карбонатами, с амфотерными гидроксидами и оксидами железа и марганца, входящими в состав глинистых минералов. Такой подход позволяет охарактеризовать процессы миграции и аккумуляции металлов в ландшафтах, изучить механизмы почвенно-геохимических процессов, дать рекомендации по обоснованию мероприятий в целях рационального использования и охраны почв, раскрыть причину инактивирующего свойства почвы, выявить механизмы ее функционирования в условиях техногенного прессинга (Соловьев, 1989; Фатеев, Самохвалова, 2002).
Оценка устойчивости реакции почвенной среды по кислотно-основной буферности
При выборе точек отбора проб использовался принцип функционального расположения в зависимости от характера землепользования и типа застройки. Были выделены: промышленная (56 площадок), транспортная (50 площадок), селитебно-транспортная (54 площадки), селитебная (20 площадок), рекреационная (57 площадок), агротехногенная (10 площадок) и зона естественных ландшафтов в пределах городской черты (10 площадок). Ведомость пробных площадок приведена в приложении 2.
На каждой площадке отбор объединенной пробы производился в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа» с площадки 10x10 м методом конверта из слоев 0-5 и 5-20 см.
Ниже приведено краткое описание функциональных зон, исследованных в данной работе.
1. Рекреационная (парковая) зона. Зону формируют территории, к наиболее крупным из которых относятся Стригинский бор, Парк Культуры автозавода, парк «Дубки» и Сормовский парк. Эти участки занимают различное положение по отношению к основным локальным и площадным источникам загрязнения района и города, а также имеют существенные отличия по генезису. Первый из них - Стригинский бор - находится на юго-западной окраине Автозаводского района на расстоянии 6,7 км от промышленных площадок ОАО «ГАЗ». Антропогенная нагрузка здесь минимальна и связана преимущественно с функционированием спортивной лыжной базы. Почвенный покров бора практически не трансформирован и представлен в основном песчаными и супесчаными дерновыми кислыми почвами естественного сложения.
Сормовский парк расположен на границе Сормовского и Московского районов. Его основой является старый лесной массив - Дарьинский лес. Примерно половину парковых деревьев составляют реликтовые сосны. Кроме них есть дубовая роща, липовая, вязовая и березовая аллеи, а также целый ряд иных пород деревьев и кустарников. Почвенный покров здесь представлен в основном дерновыми почвами на песчаных отложениях, аналогичными почвам Стригинского бора, однако расположение Сормовского парка в промышленных районах и интенсивная рекреационная нагрузка (парк аттракционов, зоопарк, зона отдыха) предопределили более высокую степень его антропогенной трансформации. В настоящее время площадь парка составляет 91,5 га.
Автозаводский парк находится на расстоянии 1,2 км к западу от промышленных площадок ОАО «ГАЗ». К северу от парка расположены преимущественно спальные районы без крупных предприятий-источников выбросов. К южной и восточной границе парка примыкают крупные автомагистрали с интенсивным движением (пр. Ленина, пр. Молодежный и ул. Героя Смирнова). На территории парка размещены площадки с аттракционами, а также озеро с пляжем. Антропогенное воздействие на почвенный покров здесь в настоящее время связано с выбросами промышленных предприятий и автотранспорта, а также интенсивной рекреационной нагрузкой (вытаптывание, замусоривание). Парк был заложен в 30-е годы прошлого века и его почвенный покров представляет собой комплекс насыпных и нарушенных естественных почв, за семидесятилетний период достигших определенного рав новесия с внешней средой (генетической взаимосвязи с другими компонентами ландшафта и между горизонтами).
Парк «Дубки» находится на границе между Автозаводским и Ленинским районом и является участком естественного ландшафта с минимальным уровнем механического нарушения почвенного покрова, представленного подвергшимися химической трансформации аллювиальными дерновыми суглинистыми почвами, и растительности. Растительный покров представлен преимущественно дубом с примесью тополя и мелколиственных пород. Эта территория находится в зоне интенсивного техногенного воздействия: на расстоянии 1,1 км к западу расположена промышленная площадка ОАО «ГАЗ» (корпус цветного литья), в непосредственной близости - завод дизельных двигателей «Двигатель революции», а также перекресток двух оживленных автотрасс с виадуком (пр. Ленина и ул. Новикова-Прибоя). В связи с этим антропогенная нагрузка связана со значительными выбросами промышленных предприятий и автотранспорта, а также высоким уровнем рекреационного воздействия (вытаптывание, замусоривание). В этой зоне было выделено 28 площадок отбора проб.
2. Промышленная зона - территория промышленных площадок ОАО «ГАЗ». Почвенный покров зоны имеет в основном насыпной характер, хотя на периферических частях промышленной зоны сохранились химически трансформированные естественные почвы различной степени нарушенности. Кроме того, на территории гавани (между промышленными корпусами и р. Окой) сохранился участок дубравы. Необходимо отметить, что на большей части территории состояние зеленых зон и почвенного покрова поддерживается в хорошем состоянии за счет применения насыпных грунтов. В целом на территории промышленной зоны выделено 56 площадок отбора проб.
3. Селитебная (жилая) зона представлена районами с низкой этажностью, без существенного влияния транспорта (Мостострой, Гнилицы, Автомеханическая, Майкопская, Мелиоративная). Обследовались преимущественно почвы дворов и их зеленых зон. Поскольку спальные районы находят ся на значительном удалении от промышленной зоны, ее влияние минимально. Антропогенное воздействие связано преимущественно с коммунально-бытовыми объектами, локальными источниками выбросов, строительством, вытаптыванием и замусориванием территории.
4. Селитебно-транспортная зона - это районы с повышенной этажностью, интенсивными транспортными линиями (ул. Краснодонцев, Дьяконова, Мончегорская, Челюскинцев, Пермякова, Дружаева, Сазанова). Участки этой зоны находятся в непосредственной близости от промышленных объектов, а также от транспортных магистралей с высокой интенсивностью движения. Антропогенное воздействие связано с комплексом факторов: выбросами промышленности (площадные и локальные источники) и транспорта, ведением жилищного и дорожного строительства, коммунально-бытовыми объектами, вытаптыванием и замусориванием.
5. Транспортная зона включает в себя придорожные территории вдоль автомагистралей района с движением различной степени интенсивности (пр. Ленина, пр. Ильича, пр. Молодежный, Южное шоссе, ул. Новикова-Прибоя, ул. Героя Ю.Смирнова, ул. Малоэтажная). Данная зона выделена с целью вычленения влияния автотранспорта на почвенный покров различных функциональных зон, через которые проходят транспортные магистрали). На ряде участков пробы отбирались на расстоянии 10 и 50 м от проезжей части.
6. Агротехногенная зона представляет собой территорию в пределах городской черты, земли которой используются для сельскохозяйственного производства. Сюда относятся угодья крупных агрофирм (например, совхоз «Горьковский» и др.), а также садоводческие товарищества на окраинах города и приусадебные участки в старых кварталах индивидуальной застройки (пос. Доскино, Володарский, Колосово и др.). Антропогенное воздействие на эти участки связано с применением различных видов агротехники и минеральных удобрений, а также с поступлением загрязняющих веществ с атмосферными выбросами от источников, расположенных в прилегающих функциональных зонах.
Профильное распределение элементов в городских почвах
Как показывают полученные результаты, диапазон варьирования по количеству органического углерода достаточно широк (в верхнем слое от 0,3 до 20,9%), что является характерной особенностью городских почв (Прокофьева и др., 2001; Никифорова, Алексеева, 2002). Кроме того, они позволяют сделать заключение об увеличении среднего значения содержания органического углерода в почвах в условиях длительного и интенсивного антропогенного воздействия на почвенный покров.
Этот вывод подтверждается и характером распределения встречаемости отдельных диапазонов (рангов), для которого свойственна асимметрия, обусловленная высокой долей проб с повышенным значением данного показателя. При этом заметно, что встречаемость показателей, находящихся в диапазоне от 2 до 3% (то есть, типичном для данных почвенно-климатических условий), максимальна. Более высокое среднее значение содержания гумуса по сравнению с фоновым уровнем обуславливается, таким образом, техногенными процессами.
Однако для более корректного выявления тенденций изменения содержания гумуса в почвах необходимо отдельное исследование с привязкой площадок отбора проб к конкретным функциональным зонам (табл. 4.1).
Перед обсуждением полученных результатов необходимо подчеркнуть, что для характеристики содержания органического вещества в почвах района использовалось содержание органического углерода, а не содержание гумуса, которое, как правило, находится пересчетом содержания органического углерода (по методу Тюрина), умноженного на коэффициент 1,724. Использование данного коэффициента основывается на известном усредненном содержании углерода в составе гумусовых кислот. Однако применение указанного коэффициента пересчета ведет к определенной ошибке, поскольку гумусовые вещества различных ландшафтов могут весьма значительно отличаться друг от друга по составу. В частности, по данным Орлова (1992), коэффициент пересчета углерода гумусовых кислот на их общее содержание варьирует от 1,70 (гуминовые кислоты торфяно-болотных почв) до 2,25 (фульвокислоты разных типов почв).
При сравнении изменения содержания гумуса на достаточно однородных территориально близко расположенных участках пахотных почв такое усреднение, в целом, допустимо. В условиях же высокой пестроты почвенного покрова ошибка пересчета становится значительно более вероятной. Особенно велика такая вероятность в условиях города, поскольку на ландшафтные особенности территории, безусловно, влияющие на вариабельность показателей гумусного состояния, здесь накладываются техногенные факторы, а именно: изменение температурного и водного режима отдельных участков, вызывающее аридизацию местных условий (Природный комплекс..., 2000); применение привозных грунтов, приготовленных преимущественно с использованием торфа, что обуславливает формирование почвенного покрова, характеризующегося отсутствием равновесия гумусного состояния почв с внешними условиями; присутствие в почвах больших количеств карбонатного щебня, строительного мусора и других педохимически активных веществ, влияющих на характер гумусообразования; привнесение в почву сажи и органических загрязнителей (нефтепродукты и другие соединения) со значительным содержанием органического углерода (не являющихся гумусом и имеющим отличное от природных соотношение между углеродом и другими элементами). В связи с указанными факторами в данном исследовании было признано некорректным производить пересчет содержания органического углерода на гумус.
Рассмотрим более подробно характер распределения содержания органического углерода в почвах исследуемой территории по выделенным ранее функциональным зонам. Почвы природных ландшафтов в среднем характеризуются относительно невысоким его содержанием, что обусловлено, в основном, направленностью процессов почвообразования на данной территории. Обращает на себя внимание, что в отличие от зон с интенсивным антро 127 погенным воздействием (транспортной, селитебной и др.) здесь отсутствуют участки с очень низким значением показателя. В целом вариабельность показателя в пределах естественных ландшафтов является одной из самых низких.
Следует отметить, что при детальном исследовании рекреационной зоны кроме рассмотренных ранее объектов (парк Дубки, Автозаводский парк и Стригинский бор) в программу исследований был включен сквер у Вечного огня, который имеет иные характеристики. В отличие от трех первых, данный объект практически полностью является продуктом антропогенной деятельности (искусственно созданные газоны и клумбы, а также другие элементы ландшафтной архитектуры). Содержание органического углерода в рекреационной зоне исследовалось совместно с асп. Е.В. Чесноковой (Даба-хов, Чеснокова, 2011).
В рекреационной зоне содержание органического углерода варьирует в очень широких пределах. Высокий уровень вариабильности показателя, особенно заметный в слое 5-20 см, связан с некоторыми естественными отличиями в строении почвенного профиля (в первую очередь, по мощности гумусового горизонта) различных парковых зон, что подтверждается данными статистической обработки полученных результатов (табл. 4.2).
