Эколого-геохимические особенности ландшафтов севера Среднерусской возвышенности

Осина, Дарья Евгеньевна

Автореферат диссертации по теме "Эколого-геохимические особенности ландшафтов севера Среднерусской возвышенности"

На правах рукописи

ОСИНА Дарья Евгеньевна

ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАНДШАФТОВ СЕВЕРА СРЕДНЕРУССКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ

25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

2 9 НОЯ 2012

Москва 2012

005055981

Работа выполнена на кафедре геологии и геохимии ландшафта географического факультета ФГБОУ ВПО «Московский педагогический государственный университет»

Научный руководитель: кандидат географических наук, профессор

Алещукин Лев Васильевич

Официальные оппоненты: Мельчаков Юрий Леонидович,

доктор географических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Уральский

государственный педагогический

университет», географо-биологический факультет, кафедра физической географии, профессор кафедры

Новиков Анатолий Петрович,

кандидат географических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Московский

государственный областной университет», географо-экологический факультет,

кафедра геологии и геоэкологии, доцент кафедры

Ведущая организация: Почвенный институт им.В.В. Докучаева

РАСХН

Защита состоится «17» декабря 2012 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.154.29 при ФГБОУ ВПО «Московский педагогический государственный университет» по адресу: 129626, г. Москва, ул. Кибальчича, д. 16, ауд. 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета по адресу: 119991, г. Москва, ул. Малая Пироговская, дом 1, стр. 1.

Автореферат разослан «~/5» ноября 2012 года.

Ученый секретарь /1

диссертационного > /

--0-_0 / Наталья Николаевна Роготень

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Природные ландшафты севера Среднерусской возвышенности на протяжении длительного времени испытывают интенсивное техногенное воздействие. Увеличение воздействия человека на природную среду привело к существенным изменениям экосистем, что отразилось не только на состоянии локальных участков, но и затронуло более обширные пространства.

Особый научный и практический интерес представляет определение степени трансформации и изменения основных компонентов антропогенных ландшафтов, расположенных в пределах исследуемой территории, по сравнению с фоновыми. Эколого-геохимические изменения техногенных ландшафтов могут быть объективно рассмотрены только при исследовании геохимических процессов в естественных геосистемах.

Комплексные эколого-геохимические исследования природных биогеосистем, подверженных воздействию промышленных предприятий, позволяют выявить особенности накопления и миграции химических элементов в пределах систем элементарных ландшафтов, оценить объемы загрязняющих веществ, депонированных в их основных компонентах (Скарлыгина-Уфимцева М.Д., 1980; Сает Ю.Е. и соавт., 1990; Водяницкий Ю.Н., 2010). Установление эколого-геохимических особенностей природных и техногенно измененных ландшафтов позволяют прогнозировать дальнейшие изменения в пределах данных природных комплексов и рекомендовать методы и приемы их восстановления (Мелихов И.С., 1961; Красовская Т.М., Евсеев A.B., 1990; Глазов М.В., 1997; Мотузова Г.В., 2000, 2001; Никонов В.В. и соавт., 1999, 2005).

Цель и задачи исследования. Целью исследований является проведение комплексного ландшафтно-геохимического исследования и оценка эколого-геохимического состояния ландшафтов севера Среднерусской возвышенности. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Рассмотреть физико-географические условия и ландшафтную структуру изучаемого региона в ходе полевых исследований и работы с литературными источниками;

2. Исследовать почвенный покров региона, выявить особенности распространения основных типов почв на уровне морфологических и физико-химических характеристик;

3. Определить концентрации кислоторастворимых (подвижных) форм меди, цинка, свинца и марганца в почвах и снеге;

4. Определить содержание меди, цинка, свинца и марганца в вегетативных органах растений, произрастающих на незагрязненных участках, а также интенсивность биологического поглощения этих микроэлементов основными видами покровообразующих растений;

5. Изучить геохимические особенности антропогенно преобразованных территорий севера Среднерусской возвышенности;

6. Оценить степень геохимической трансформации антропогенных территорий на примере почв, растений и снежного покрова;

7. Составить картосхемы распределения загрязнения тяжелыми металлами территории крупного населенного и промышленного центра региона (на примере г. Калуга).

Объекты исследования. Объектами исследования являлись зональные ландшафты смешанных и смешанно-широколиственных лесов, азональные ландшафты пойм, расположенные в пределах территории бассейнов рек Угры и Жиздры, а также сельскохозяйственные и антропогенные ландшафты (в т.ч. в пределах г. Калуга).

Методы исследования. Полевые исследования проводились автором в 2009-2011 гг. на территории Калужской области. Участки детальных фоновых исследований были расположены на северных склонах Среднерусской возвышенности в долине рек Уфы и Жиздры. В ходе полевых исследований были заложены трансекты, в пределах которых проведен комплекс детальных исследований. Данная территория расположена в границах национального парка «Угра» и принята нами за условно фоновую - незагрязненную. Исследования ландшафтов, подверженных интенсивному техногенному воздействию, проводились на территории г. Калуга, где было заложено более 50 опорных точек. На всех точках условно фоновой территории проводился отбор образцов генетических горизонтов почв (более 100 образцов), покровообразующих растений (более 60 образцов), снега (более 10 образцов). На территории г. Калуга отбирались образцы почв верхней части горизонта и с глубины 0-5 см и 20-25 см (более 120 образцов), растительности (более 20 образцов) и снега (более 60 образцов). Также был произведен отбор почвенных образцов из ландшафтов, испытывающих сельскохозяйственную нагрузку (40 образцов).

Весь комплекс аналитических исследований выполнен автором в лаборатории кафедры геологии и геохимии ландшафта МПГУ. Выводы базируются на более чем 3650 элемент-определений.

Научная новизна. Впервые для данного региона проведено комплексное эколого-геохимическое исследование компонентов природных и антропогенно трансформированных ландшафтов.

Изучение основных эколого-геохимических параметров почв, покровообразующих растений и снегового покрова фоновых ландшафтов, расположенных в пределах севера Среднерусской возвышенности, свидетельствует о том, что все компоненты ландшафта претерпевают незначительное изменение. Наиболее заметные антропогенные изменения отмечены в урбоэкосистемах г. Калуга. Установлено, что техногенное воздействие способствует накоплению кислоторастворимых форм тяжелых

металлов. Выявлены особенности латеральной и радиальной миграции рассеянных элементов в пределах систем геохимически сопряженных ландшафтов.

Практическая значимость исследования. Фактический материал, полученный в ходе исследования, может быть использован как база данных при дальнейшем изучении рассматриваемой территории. Результаты исследований использованы при подготовке ежегодного отчета министерства экологии и природных ресурсов «О состоянии природных ресурсов и охране окружающей среды на территории города Калуга в 2011 году», внедрены в практику научной работы национального парка «Угра» (справка № 5 от 02. 08. 2012 г.).

Результаты исследований представлены в министерство природных ресурсов, экологии и благоустройства Калужской области и используются для экологического мониторинга состояния окружающей среды, ранее не существовавшего в данном регионе. Результаты авторских исследований приняты Комитетом по охране окружающей среды и контролю в сфере благоустройства управления городского хозяйства г. Калуги и используются в практической работе комитета (справка о внедрении №13 от 22.03.2012 г.).

Защищаемые положения:

1. Разнообразие ландшафтообразующих факторов в пределах севера Среднерусской возвышенности предопределило возникновение сложных биогеосистем, сочетающих в себе элементы ландшафтов свойственные лесной и лесостепной зоне.

2. Почвы незагрязненных территорий региона характеризуются слабокислой реакцией среды и значительным содержанием поглощенных форм кальция и магния при низкой концентрации органического углерода.

3. Содержание тяжелых металлов в почвах фоновых территорий составляет единицы мг/кг для Си, Хп и десятки и сотни мг/кг для Мп. В растениях концентрация указанных элементов определяется десятками-сотнями мг/кг, сотнями мг/кг и тысячами мг/кг соответственно.

4. Концентрации тяжелых металлов в почвах и растениях г. Калуга превышают природные концентрации по меди в 13 раз, цинку в 9 раз, свинцу в 10 раз и марганцу в 2 раза.

5. Использование различных методик классификации загрязнения почв тяжелыми металлами позволило выявить оптимальные подходы для картирования каждого из исследованных элементов и диагностики пространственного распространения загрязнений.

Апробация работы. Основные результаты проведенного исследования докладывались на заседании комиссии геохимии ландшафта Московского центра Русского географического общества (2012 г.), на заседаниях кафедры геологии и геохимии ландшафта МПГУ (2010, 2011 гг.), на научных чтениях МПГУ (2010 г.), на I Всероссийской научно-

практической конференции молодых ученых «Индикация состояния окружающей среды: теория, практика, образование» (Москва, 2010), на Международной конференции «Ресурсный потенциал почв - основа продовольственной экологической безопасности России» (Санкт-Петербург, 2011), на Международной научной конференции XV Докучаевские Молодежные чтения «Почва как природная биогеомембрана» (Санкт-Петербург, 2012г.), на XI Всероссийской выставке Научно-технического творчества молодежи на ВВЦ (Москва, 2011г.).

Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ общим объемом 1,61 п.л., в том числе две в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 188 страниц машинописного текста, включая 13 таблиц, 83 рисунка. Список литературных источников включает 116 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, определены цель, задачи, объекты и предмет исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, обоснованы научная новизна и практическая значимость результатов проведенного исследования.

В первой главе диссертации подробно рассматриваются физико-географические условия севера Среднерусской возвышенности. Площадь исследований составляет 1200 км2, в том числе 1000 км2, принадлежащие национальному парку «Угра». Геолого-геоморфологическая неоднородность исследуемой территории обусловлена тем, что в ее пределах расположены две геоморфологические области: Среднерусская возвышенность и Угорско-Протвинская низина. К коренным отложениям, выходящим на поверхность или залегающим под толщей четвертичных отложений, относятся нижнекаменноугольные известняки и доломиты, имеющие повсеместное распространение. Рельеф дочетвертичной поверхности сформировался в позднекайнозойское время под влиянием неотектонических движений, дочетвертичных денудационно-аккумулятивных процессов, на которые существенно влиял литологический состав пород и экзорационная деятельность плейстоценовых ледников (Петров В.Г., 2003).

Четвертичный комплекс представлен валунными суглинками основных морен, глинисто-песчаными отложениями водно-ледниковых потоков и ледниковых озер, современным аллювием рек и озерно-болотными осадками. На юге - в Жиздринской части распространены моренные отложения днепровского горизонта. В северной, Угорской части, местами перекрывая отложения днепровского возраста, залегают отложения

московского горизонта. Четвертичные отложения, имеющие пестрый литологический и вещественный состав, представлены глинами, суглинками, супесями и песками, в различной степени насыщенными валунно-галечниковым и гравийным материалом. Болотные образования состоят главным образом из осоковых и древесных торфов.

Согласно климатическому районированию Б.П. Алисова (1945), север Среднерусской возвышенности, расположенный в пределах умеренного климатического пояса с четко выраженными сезонами года, характеризуется теплым летом, умеренно холодной с устойчивым снежным покровом зимой и хорошо выраженными, но менее длительными переходными периодами - весной и осенью (Бочкарева Н.Ф., 2003).

Основой гидросети региона является р. Ока и ее крупные притоки -Угра и Жиздра, которые относятся к бассейну внутреннего стока. Главная роль в питании рек принадлежит талым снеговым водам. Заболоченность исследуемой территории невелика. Основная часть болот, среди которых нет крупных болотных комплексов, находится в бассейне р. Угры (Семенов В.А., Семенова И.В., 2002).

Исследуемая территория входит в зону смешанных лесов. Общая залесенность территории составляет около 63 %. Согласно геоботаническому районировании. Калужской области, территория Угорского участка детальных исследований относится к подзоне смешанных хвойно-широколиственных лесов и находится в болотно-лесном елово-дубовом округе (северо-западная часть) и лесном елово-дубовом округе (юго-восточная часть). Преобладающими типами лесорастительных условий (экотопами) являются сложные ельники; на склонах и холмах, сложенные водно-ледниковыми песками - сложные сосняки и сухие боры-беломошники. Жиздринский участок детальных исследований расположен в подзоне широколиственных лесов. На севере Жиздринского участка произрастают сосняки и березняки. Значительные площади исследуемой территории занимают луга (Соловьева М.П., Хомутова М.С., 1970).

На исследуемой территории наиболее распространенными являются дерново-подзолистые почвы различного механического состава и степени оподзоленности. Преобладают дерново-среднеподзолистые, значительно реже встречаются слабо- и сильнооподзоленные. Распространены также серые лесные, полуболотные и болотные, дерновые, луговые, подзолистые, черноземовидные, бурые лесные почвы и некоторые другие (Герасимова М.И., 1987).

Вторая глава диссертации посвящена описанию методов, использованных при проведении полевых и лабораторно-аналитических работ. За основу полевых исследований была выбрана методика выделения трансект. На исследуемой фоновой территории были выделены и изучены четыре участка детальных исследований: северный - Угорский (правый и

левый берега р. Угры) и южный - Жиздринский (правый и левый берега р. Жиздра) (рис. 1).

В пределах каждой трансекты были заложены почвенные разрезы, приуроченные к разным элементарным ландшафтам - от автономного, трансэлювиального до супераквального. В каждом почвенном разрезе из выделенных генетических горизонтов были отобраны почвенные образцы. Отбор почвенных образцов проводился по общепринятой методике (Агрохимические методы..., 1960; Методические рекомендации..., 1981; Фомин, 2001) и сопровождался подробным описанием генетических горизонтов. С каждой точки отбирались образцы растительности в количестве 300 г сырой массы. Всего с фоновой территории было отобрано более 100 образцов почв, более 60 образцов основных покровообразующих растений и более 10 образцов снега.

Рисунок 1. Расположение почвенно-геохимических катен на исследуемой территории

На территории г. Калуга было отобрано более 120 проб почвы в разных районах города: селитебных зонах, на территории ряда промышленных предприятий, вдоль автомобильных дорог. Отбор производился с глубины 0-5 см и 20-25 см., более 50 образцов снега и 20 образцов растительности.

В солянокислых вытяжках (1 н. НС1) на атомно-адсорбционном спектрометре «Спектр-5-3» в почвенных горизонтах и почвообразующих

породах определялось содержание кислоторастворимых форм Си, Ъп, Мп, РЬ.

Растительный материал подвергался сухому озолению по общепринятой методике при температуре 350-400 °С. В солянокислой вытяжке (10 % НС1) из золы определялись Са и Mg (комплексонометрический метод), Си, Тп, Мп, РЬ (спектрометрический метод) и Ре (фотометрический метод).

Исследования талой снеговой воды включали в себя комплекс гидрохимических анализов (определение основных анионов и катионов, общей минерализации) и определение тяжелых металлов (Си, Тп, Мп, РЬ) и Бе.

Полученные аналитические данные обрабатывались методом математической статистики. При обработке полученной информации рассчитывались следующие общепринятые коэффициенты: кларк концентрации химического элемента (Кк), коэффициент биогеохимической подвижности (Вх) и коэффициент биологического поглощения (Кб).

В третьей главе диссертации дана характеристика ландшафтных обстановок участков детальных исследований. Приводится подробное описание почвенных горизонтов и основных покровообразующих растений. На изучаемой территории наиболее часто встречаются дерново-подзолистые почвы различного механического состава и степени оподзоленности: преобладают дерново-среднеподзолистые, значительно реже — слабо- и сильнооподзоленные. Распространены также серые лесные, полуболотные и болотные, дерновые и луговые почвы. Механический состав почв различается в зависимости от почвообразующих пород: почвы Угорского участка формируются на моренных суглинках, водно-ледниковых супесях и покровных суглинках и имеют более легкий механический состав по сравнению с почвами Жиздринского участка, которые сформировались на лессовидных суглинках и двучленных породах: сверху залегают маломощные пески и супеси снизу - морена или коренные породы.

Таким образом, на территории севера Среднерусской возвышенности вследствие разнообразия ландшафтообразующих факторов, формируется система сложных, закономерно сменяющих друг друга элементарных ландшафтов. Элювиальные ландшафты занимают вершины водоразделов, переходят в трансэлювиальные - склоны водоразделов. В пределах этих ландшафтов преобладают различные подтипы дерново-подзолистых почв. Аккумулятивно-элювиальные ландшафты занимают площадки надпойменных террас с господством дерново-подзолистых почв на Угорском участке и серых лесных и псамоземов на Жиздринском. Супераквальные ландшафты, занимающие пойменные участки речных долин, характеризуются господством различных типов аллювиальных почв.

В четвертой главе диссертации рассматриваются геохимические параметры природных ландшафтов севера Среднерусской возвышенности. Приводится описание геохимических особенностей почв, основных покровообразующих растений и снегового покрова фоновой территории. Также рассматриваются закономерности латеральной и радиальной миграции тяжелых металлов в элементарных ландшафтах.

В настоящее время общепризнано, что степень антропогенного воздействия на природные системы невозможно оценить без детального анализа фонового состояния биологических, биокосных и косных систем вне урбанизированных территорий или сферы влияния локальных источников загрязнения (Глазовская М.А., Касимов Н.С., 1989).

Среди кислоторастворимых форм тяжелых металлов в почвообразующих породах наибольшие концентрации имеют медь (4,7 мг/кг), цинк (5,8 мг/кг), марганец (140 мг/кг) на Угорском участке; и цинк (4,0 мг/кг), свинец (5,2 мг/кг) - на Жиздринском. Наибольшие концентрации валовых форм металлов отмечены на правобережных участках речных долин обоих участков детальных исследований (рис. 2).

1РЬ

Жиздра.прэбый Жиздра,лебый Угра,правый Угра,лебый берег берег

берег

участки

детальных

исследований

Рисунок 2. Содержание валовых форм тяжелых металлов в почвообразующих породах участков детальных исследований (в мг/кг)

В распределении подвижных форм свинца по почвенному профилю установлена следующая закономерность: в почвах Угорского района максимальные концентрации элемента отмечены в верхних горизонтах (4,0-6,4мг/кг) и в почвообразующей породе (3,0-9,6 мг/кг). В почвах Жиздринского участка в распределении свинца по почвенному профилю отмечена обратная закономерность-постепенное уменьшение содержания металла от гумусовых горизонтов к почвообразующей породе. Это связано с тем, что содержание в почвообразующих породах Угорского района свинца значительно ниже, чем в южном, Жиздринском (табл. 1).

Таблица 1. Тяжелые металлы в почвах природных ландшафтов севера Среднерусской возвышенности.

горизонт мг/кг горизонт мг/кг

Си Хп РЬ Мп Си 7.п РЬ Мп

Угорский участок исследований Жиздринский участок исследований

аллювиальная почва центральной поймы аллювиальная слоистая почва прируслового вала

ас! 3,443 5,58 5,303 198,783 а1 2,49 4,05 3,58 95,184

а1 3,158 5,346 6,905 191,272 (а1/в) 2,82 4,32 4,06 128,58

а1/в 4,294 5,749 5,807 162,88 в 3,02 4,79 4,16 99,575

в 2,989 4,471 4,963 77,626 псамозем оподзоленный

С 4,71 4,193 2,863 70,223 а1 1,34 2,40 5,58 203,758

дерново-слабоподзолистая а1/а2 2,48 1,69 4,23 99,406

а1 2,106 2,532 6,4 226,312 а2 1,81 1,23 4,56 79,281

а1/а2 2,256 2,345 6,858 168,206 в 1,14 1,51 2,42 24,238

в 2,517 2,104 3,94 71,226 С 0,8 1,77 1,79 19,495

С 4,721 4,253 9,666 140,896 светло-серая лесная

дерново-сильноподзолистая

а1 1,198 1,405 4,032 183,299 а1 1,33 1,69 4,35 219,874

а2 0,784 1,138 1,313 52,36 а1/в 1,00 0,74 1,58 179,598

а2/в 1,26 1,189 2,588 37,301 в 0,66 0,50 3,12 56,247

в 2,38 1,841 3,694 20,168 С 1,92 1,39 2,3 37,158

с 4,442 2,503 5,9 19,55 дерново-слабоподзолистая

дерново-сильноподзолистая а1 0,89 1,20 6,21 191,127

а1 1,198 1,405 4,032 183,299 а1/а2 0,79 0,57 0,94 62,652

а2 0,784 1,138 1,313 52,36 а2 0,52 0,30 0,31 4,997

а2/в 1,26 1,189 2,588 37,301 а2/в 0,79 1д2 1,78 8,162

в 2,38 1,841 3,694 20,168 в 3,49 1,51 3,47 7,964

С 4,442 2,503 5,9 19,55

Следует отметить, что в пространственном перераспределении свинца между сопряженными элементами ландшафта на Жиздринском участке наибольшее содержание металла отмечено в почвах (гумусовые горизонты) водораздельных территорий (6,2-6,9 мг/кг) и постепенное уменьшение концентрации свинца к подчиненным ландшафтам (3,5 мг/кг). На Угорском

участке, наоборот, наименьшая концентрация металла наблюдается на водоразделах (3,3-4.0 мг/кг), а наибольшая в почвах пойм (5,3-6,0 мг/кг), т.е. свинец переносится от водораздела к пойме и там аккумулируется. Наиболее сложен микроэлементарный профиль пойменных почв.

Максимальные концентрации цинка отмечены в аллювиальных почвах всех исследуемых участков (5-6 мг/кг), минимальные - в почвах водораздельных территорий (2 мг/кг). Для большинства исследуемых почв характерно накопление цинка в верхних гумусовых горизонтах.

Наибольшее содержание марганца соответствует почвам, сформировавшимся на вторых надпойменных террасах под лесной растительностью, представленной лиственными и хвойными породами деревьев, а также пойменным почвам, сформировавшимся в аккумулятивных ландшафтно-геохимических обстановках. Содержание подвижных форм марганца в этих почвах достигает 210-245 мг/кг. По профилям почв наблюдается постепенное уменьшение концентрации марганца от гумусового горизонта вниз. Также, отмечена аккумуляция данного металла в подчиненных элементарных ландшафтах (в особенности на пойме и первых надпойменных террасах (240 мг/кг), по сравнению с водоразделом (139 мг/кг)).

Концентрация подвижных форм меди в почвах правого берега р. Угра значительно выше, чем в аналогичных почвах, сформировавшихся в пределах левого берега (от 1,3 мг/кг до 3,4 мг/кг в гумуссодержащих горизонтах, от 1,6-2,0 мг/кг до 4,4-5,0 мг/кг в горизонтах С). Это обусловлено особенностями почвообразующих пород левого берега Угры, представленных опесчаненными моренными отложениями (почвы правобережья Угры сформировались на покровных суглинках). В целом, в почвах всех участков детальных исследований проявляется процесс геохимического сопряжения, т. е. содержание подвижных форм меди в гумусовых горизонтах почв автоморфных ландшафтов ниже, чем в горизонтах почв подчиненных ландшафтов: на водоразделе этот показатель составляет от 0,8 мг/кг до 2,8 мг/кг в почвах правого берега р. Жиздра, от 3,0 мг/кг до 4,2 мг/кг в почвах левого берега р. Жиздра.

Установлено, что чем выше содержание гумуса в почвах, тем в большей мере накапливаются подвижные формы меди и цинка. Это характерно для верхних гумусовых горизонтов исследованных почв. Наибольшие концентрации кальция отмечены в почвообразующих породах Угорского участка (25-50 мг/кг), магния - Жиздринского (25-31 мг/кг), т.е на Угорском участке в соотношении Са+М§ преобладает кальций, а на Жиздринском магний. Это очевидно обусловлено тем, что подстилающие, коренные породы Угорского участка представлены известняками, а Жиздринского - известняками и доломитами.

Выявлено, что для почв фоновых территорий характерна слабокислая и близкая к нейтральной реакция, невысокое содержание органического

вещества (0,3-2,1 %), высокое количество поглощенных оснований (7080%).

В процессе исследования установлено, что содержание хлора и железа в снеговых водах бассейнов рек Угры и Жиздры наибольшее на водораздельных территориях. Содержание Са+ГУ^, наоборот, несколько больше на открытых пространствах пойм, что, вероятно, связано с переносом этих элементов с водораздельных участков, учитывая их значительную миграционную способность.

Наибольшими показателями зольности характеризуются листья широколиственных пород деревьев, такие как клен (7,5 %), орешник (8,1 %), а также злаки (6,8-8,3 %), произрастающих в подчиненных ландшафтно-геохимических обстановках (рис. 3).

Рисунок 3. Показатели зольности покровообразующих растений Угорского участка исследований

Выявлено, что в большинстве случаев железо накапливается в листьях широколиственных и мелколиственных пород деревьев и в ветвях хвойных деревьев, кальций - в листьях широколиственных пород деревьев. К растениям, накапливающим магний относятся злаковые - лисохвост (35%) и пырей (39,4 %), а растения-концентраторы кальция - бобовые (мышиный горошек (38,6 - 44,2 %). Установлено, что медь и цинк накапливаются в ветвях древесных пород. Максимальные концентрации металлов соответствуют древесине хвойных пород деревьев (сосна и ель), а минимальные - древесине широколиственных (дуб и клен) и

мелколиственных пород (осина, береза). Из травянистых растений металлы накапливают злаки - овсяница, пырей и лисохвост.

Максимальные значения коэффициента биологического поглощения получены для цинка (470) и меди (160), что свидетельствует об активном вовлечении этих микроэлементов в биологический круговорот (рис. 4). Наибольшие значения Кб, как правило, наблюдаются у растений, произрастающих в автономных условиях. Установлено, что наиболее активно растения поглощают из гумусового горизонта легкорастворимые формы цинка и меди, а аккумуляция марганца значительно меньше.

Кб

500- ,

400

300

гоо-

Растения

Рисунок 4. Коэффициенты биологического поглощения (Кб) в растениях Угорского участка исследований

Наибольшее содержание марганца обнаружено в ветвях сосны (14 700 мг/кг,) и ели (13 600 мг/кг), листьях осины (3 250 мг/кг), черемухи (13 300 мг/кг), клена (2 920 мг/кг), дуба (14 900 мг/кг) и травянистых видов -лисохвоста (2 600 мг/кг) и осоки (11 190 мг/кг). Установлено, что марганец как правило, накапливается в листьях и хвое деревьев.

Наибольшее содержание меди отмечено в ветвях ели (168 мг/кг), сосны (204 мг/кг), дуба (150 мг/кг), черники (139 мг/кг). Содержание цинка и марганца максимально в ветвях сосны (440 мг/кг; 14 700 мг/кг), ели (554 мг/кг; 13 600 мг/кг), березы (1060 мг/кг), а также в листьях дуба (197 мг/кг; 14 900 мг/кг), черемухи (120 мг/кг; 13 300 мг/кг) и хвое сосны (770 мг/кг;13 300 мг/кг).

Содержание меди и цинка в нерастворимой форме максимально на открытых пространствах пойм, растворимые формы этих металлов преобладают на водораздельных территориях.

Си • Zn - — Мп

Обращает на себя внимание тот факт, что свинец в снеге всех участков детальных исследований находится в нерастворимой форме. На водораздельных территориях, покрытых лесом, отмечена максимальная концентрация металла в нерастворимой форме (9,33-15,58мг/кг), тогда как в снеге пойменных ландшафтов содержание свинца не превышает 0,02 мг/кг.

Пространственное распределение марганца имеет следующие особенности: концентрация металла в нерастворимой форме наибольшая в снеге водоразделов (136-151 мг/кг), а содержание водорастворимых форм элемента максимально в снеговом покрове пойм (0,0159-0,0181 мг/л) (рис.5).

160' 140 120 100 80 60 40 20 0

г/кг

■ смешанным лес

■ еловый лес

■ сосновый лес

металлы

Си 2п Мп РЬ

мг/л

I еловым лес

' смешанный

■ сосновый

лес

металлы

Си 2п Мп РЬ

Рисунок 5. Соотношение нерастворимых (А) и растворимых (Б) форм тяжелых металлов в снеговом покрове фоновой территории

В результате проведенных исследований установлено, что максимальная доля водорастворимых форм меди и цинка обнаружена в образцах снега, отобранных в автоморфных условиях, на водоразделах. В ландшафтах пойм, выявлено преобладание нерастворимых форм данных металлов.

В пятой главе диссертации рассматриваются геохимические особенности антропогенно измененных ландшафтов. Приводится описание состояния воздушного бассейна г. Калуга, описываются особенности эколого-геохимических изменений растительного покрова, снегового покрова и эколого-геохимической трансформации почв.

Почвы г.Калуга характеризуются сдвигом показателя рН в сторону более щелочных значений (7,5). Основная часть почв характеризуется нейтральной или близкой к нейтральной реакцией среды, значения рН колеблются от 6,8 до 7,5. Установлена общая закономерность, характерная

для большинства почвенных разрезов - с глубиной показатель pH уменьшается, и почвенный раствор становится менее шелочным.

Содержание Сорг. в урбаноземах может меняться по сравнению с фоновыми ландшафтами, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. (Строганова М.Н., 1997). Результаты исследований, проведенных на территории г. Калуга, свидетельствуют, что содержание Сорг. колеблется от 9,1 до 1,6 %.

Содержание обменных форм кальция, экстрагируемых 1н HCl, в горизонте «урбик» (глубина 0-5 см) колеблется от 12 до 521 мг-экв/100г почвы. Диапазон колебаний этих значений значительно шире, чем в аналогичных дерново-подзолистых почвах внегородских территорий. Максимальные значения, превышающие фоновые показатели, наиболее характерны для антропогенно преобразованных почв центрального и северо-западного районов города.

Концентрация обменного магния меняется от 2 до 450 мг-экв/100г почвы и в большинстве случаев превышает фоновые показатели.

Результаты проведенных исследований показывают, что в 90 % исследованных почвенных образцах содержание кальция максимальное на поверхности почвы (0-5 см) и уменьшается вниз. Это позволяет сделать вывод о том, что в верхние почвенные горизонты кальций поступает вследствие антропогенного напыления.

По результатам проведенных лабораторно-аналитических работ были составлены картосхемы содержания в урбаноземах г. Калуга подвижных форм тяжелых металлов на глубинах 0-5 см и 20-25см. За основу при создании картосхем были взяты предельно допустимые подвижные формы тяжелых металлов (1 н HCl, X. Чулджиян, 1988) и предельно допустимые концентрации тяжелых металлов, утвержденные Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (ГОСТ от 16.06.2005г.).

Максимальное содержание всех диагностируемых металлов было отмечено в районе ул. Тульской, что связано с расположенным в непосредственной близости заводом по производству металлоконструкций, а так же на ул. Московской, вдоль которой расположены основные предприятия по производству техники и комплектующих деталей («Турбинный завод», завод транспортного машиностроения, завод «Калужский двигатель», Калужский опытно-ремонтный завод) (рис. 6).

Рисунок 6. Содержание подвижных форм цинка в почвах г. Калуги (в мг/кг, ГОСТ от 16.06.2005г): А-0-5 см; Б-20-25 см

Таким образом, районы с наиболее высоким содержанием металлов в почве расположены вблизи крупных промышленных предприятий и автодорог: центральная часть города, юго-восточная и частично восточная части города.

Минимальное содержание металлов в почвах отмечено в западной, северо-западной и северной частях города, что соответствует селитебной зоне.

Нами проведено сравнение и сопоставление картосхем, составленных на основании норматива ГОСТа и исследований X. Чулджияна. Анализ полученных картосхем позволил установить, что для построения картосхем по содержанию в почве меди, марганца и свинца целесообразно использовать нормативы установленные ГОСТом, так как полученные картосхемы получаются наиболее дифференцированными и информативными по сравнению с картосхемами, построенными по исследованиям X.Чулджияна.

В снеговом покрове г. Калуга кислоторастворимые формы тяжелых металлов преобладают в минеральной фазе, а на фоновых территориях в жидкой (рис. 7). Установлена общая закономерность, характерная для всех исследованных металлов: по мере удаления от источника загрязнения доля тяжелых металлов в растворимых формах увеличивается. Тяжелые металлы непосредственно после выброса в атмосферу находятся, в основном, в нерастворимых формах, далее по мере распространения от источника в первую очередь оседают наиболее крупные частицы, растворимость которых меньше, чем высокодисперсных частиц.

Рисунок 7. Содержание подвижных форм цинка в: талом снеге, в мг/л (А); и нерастворимом осадке снеговых вод, в мг/кг (Б) г. Калуга

Расчеты и сопоставление коэффициентов биогеохимического поглощения в растениях, произрастающих на территории г. Калуга, свидетельствуют об избирательном поглощении металлов разными видами растений, а также о мозаичности почвенно-растительного покрова. Наиболее активно растения поглощают цинк (более 80) (рис. 8).

КАЛУГА 1:60 ООО

Рисунок 8. Коэффициент биогеохимической подвижности кислоторастворимых форм тяжелых металлов в растениях г. Калуги

В заключении изложены основные выводы диссертационного исследования, отражающие следующее:

1. Коренные породы Угорского участка представлены преимущественно известняками, Жиздринского - известняками и доломитами с преобладанием последних. В пределах рассматриваемой территории распространены ландшафты пологоволнистых моренных равнин с незначительным эрозионным расчленением - на северном, Угорском участке детальных исследований, и расчлененные эрозионные равнины на южном, Жиздринском участке. Таким образом, в качестве почвообразующих пород в данном регионе выступают: флювиогляциальные пески и покровные суглинки на севере, и -покровные и лессовидные суглинки на юге.

2. Наличие неперекрывающихся почв, развитых на однотипных породах (лессовидных и покровных суглинках) в пределах небольших пространств и равнинного рельефа - уникальное явление. Максимальное содержание гумуса (1,8-2,1 %) отмечено в гумусовых горизонтах аллювиальной почвы центральной поймы и светло-серой лесной почвы. Наибольшие концентрации кальция характерны для аллювиальных почв Угорского участка детальных исследований (30-34

мг-экв/100 г.). Коренные породы данного района имеют карбонатный состав, и кальций поступает в почву вследствие размывания рекой (р. Угра) подстилающих карбонатных пород. Максимальное содержание магния отмечено в почвах Жиздринского участка детальных исследований (16-38 мг-экв/100г). В отличие от Угорского участка, коренные породы Жиздринского района исследования представлены доломитами, которые обогащают магнием речные воды Жиздры и почвенные горизонты. Наиболее кислыми из всех исследованных почв являются дерново-подзолистые, рН которых составляет 5,5-6,3.

3. Установлено, что показатель зольности у всех исследованных растений в черте города выше, чем в аналогичных растениях, произрастающих на условно фоновой территории. Наибольшие значения показателя зольности отмечены у листьев березы (8,3) и клена (7,4), растущих вблизи крупных автомагистралей. Анализ данных о содержании тяжелых металлов в растениях г. Калуга свидетельствует о том, что медь аккумулируется более активно в листьях березы (203 мг/кг) и ветвях ели (118 мг/кг) и клена (154 мг/кг).

4. Максимальные концентрации металлов в природных почвах отмечены в аккумулятивных ландшафтах (поймах), что является следствием процесса геохимического сопряжения, сноса подвижных микроэлементов вниз по почвенному склону и аккумуляцию в подчиненных ландшафтах. Для условно фоновых почв Жиздринского и Угорского участков детальных исследований отмечены наибольшие концентрации марганца (183-245 мг/кг), что связано с обильной растительностью, накапливающей металл и обогащающей им почву.

5. Установлено, что чем выше содержание гумуса в почвах, тем в большей мере накапливаются подвижные формы меди, цинка. Это характерно для верхних гумусовых горизонтов исследованных почв.

6. Выявлено, что почвы сельскохозяйственных угодий территории исследования характеризуются более тяжелым гранулометрическим составом, более высоким показателем рН (6,5-7,4), и в отличие от естественных почв содержат больше железа (2000-3100 мг/кг), марганца (380-470 мг/кг), меди (3-7мг/кг) и свинца (3-13 мг/кг). Содержание гумуса в почвах сельскохозяйственных угодий, занятых пашней и сенокосом, выше в 2 раза по сравнению с естественными почвами и составляет 2,1-5,6 %.

7. Анализ полученных картосхем позволил установить, что для построения картосхем по содержанию в почве меди, марганца и свинца целесообразно использовать нормативы установленные ГОСТом, так как полученные картосхемы получаются наиболее дифференцированными и информативными по сравнению с картосхемами, построенными по исследованиям Х.Чулджияна.

8. Для антропогенно измененных почв города Калуга характерны наибольшие концентрации цинка (142 мг/кг) и свинца (250 мг/кг), что является следствием длительной техногенной нагрузки на почвы города, отсутствующей в природных ландшафтах.

9. Высокое содержание марганца в антропогенно измененных почвах города Калуга (280-360 мг/кг) связано, главным образом, не с техногенным поступлением металла в почву, а с обильной растительностью, характерной для всего города. За исключением центральных районов города, где меньше растительности и концентрации металла значительно ниже (55-150 мг/кг).

10. Анализ полученных данных свидетельствует о том, что содержание Сорг в почвах г. Калуга превышает фоновые показатели и составляет 2,99,1%. Увеличение этого показателя обусловлено обилием растительного покрова, вследствие чего, увеличивается опад, а также антропогенным поступлением органополлютантов, сажи и пыли.

11. Наибольшие концентрации тяжелых металлов в городских почвах отмечены в центральном, юго-восточном и частично восточном районах города, что связано с преобладающими ветрами западного и северозападного направлений и атмосферным переносом, а также с находящимися в этих районах промышленными предприятиями, минимальное содержание металлов в почвах отмечено в западной, северо-западной и северной части города, что соответствует селитебной зоне.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Осина Д.Е. Пространственное распределение подвижных форм тяжелых металлов в почвах г. Калуга.//Вестник Московского Государственного Областного Университета. Серия «Естественные науки».-2012. № 4. М.:Изд-во МГОУ.-С. 128-134 (0,4 пл.).

2. Осина Д.Е. Эколого-геохимические параметры марганца и меди в почвах бассейнов рек Угры и Жиздры. //Преподаватель XXI век. М.: Изд-во «Прометей».-2012. №4, С. 231-234 (0,4 п.л.).

3. Осина Д.Е. Эколого-геохимические параметры тяжелых металлов в природных и антропогенно измененных биогеосистемах бассейнов рек Угры и Жиздры. // Материалы международной научной конференции XV Докучаевские молодежные чтения «Почва как природная биогеомембрана». - СПб.: Издательский дом СПбГУ, 2012. - С. 14-17 (0,25 п.л.).

4. Осина Д.Е. Тяжелые металлы в почвах г. Калуга. // Материалы Всероссийской научной конференции XIV Докучаевские молодежные чтения « Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов». -СПб.: Издательский дом СПбГУ, 2011. - С. 269-271 (0,2 п.л.).

5. Осина Д.Е. Ландшафтная индикация морфологических особенностей почв рек бассейна Угры и Жиздры (Калужская область).// Материалы Первой Всероссийской научно-практической конференции «Индикация состояния окружающей среды:теория, практика, образование». - М.: МПГУ, 2010.-С 58-62 (0,3 п.л.).

6. Осина Д.Е. Тяжелые металлы в почвах севера Среднерусской возвышенности.// Материалы научной конференции географического факультета МПГУ. - М.: МПГУ, 2011, С 68-72 (0,06 п.л.).

Подписано в печать: 12.11.2012 Объем: 1,0 п л. Тираж: 100 экз. Заказ № 695 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Осина, Дарья Евгеньевна

1.1 Географическое положение

1.2 Геолого-геоморфологическая характеристика

1.3 Характеристика климатообразующих факторов и гидросети

1.4 Растительный покров

1.5 Особенности педогенеза

Глава 2. Методы исследований

2.1 Методы полевых исследований

2.2 Методы лабораторно-аналитических исследований

Глава 3. Характеристика ландшафтных обстановок участков детальных исследований

Глава 4. Геохимические особенности природных ландшафтов севера Среднерусской возвышенности

4.1 Геохимические особенности почв

4.2 Геохимические особенности покровообразующих растений в природных ландшафтах севера Среднерусской возвышенности

4.3 Закономерности латеральной и радиальной миграции металлов в элементарных ландшафтах исследуемой территории

4.4 Геохимические особенности снегового покрова севера Среднерусской возвышенности

Глава 5. Геохимические особенности антропогенно измененных ландшафтов

5.1 Географические закономерности эколого - геохимической трансформации почв г. Калуга

5.2 Геохимические особенности растительного покрова г. Калуга

5.3 Эколого-геохимическое состояние воздуха г. Калуга

5.4 Геохимическое изменение снегового покрова в условиях антропогенной нагрузки

5.5 Геохимическая характеристика агро-почв элювиальных и подчиненных ландшафтов севера Среднерусской возвышенности Заключение

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Эколого-геохимические особенности ландшафтов севера Среднерусской возвышенности"

Актуальность исследования. Природные ландшафты севера Среднерусской возвышенности на протяжении длительного времени испытывают интенсивное техногенное воздействие. Увеличение воздействия человека на природную среду привело к существенным изменениям экосистем, что отразилось не только на состоянии локальных участков, но и затронуло более обширные пространства.

Особый научный и практический интерес представляет определение степени трансформации и изменения основных компонентов антропогенных ландшафтов, расположенных в пределах исследуемой территории, по сравнению с фоновыми. Эколого-геохимические изменения техногенных ландшафтов могут быть объективно рассмотрены только при исследовании геохимических процессов в естественных геосистемах.

Комплексные эколого-геохимические исследования природных биогеосистем, подверженных воздействию промышленных предприятий, позволяют выявить особенности накопления и миграции химических элементов в пределах систем элементарных ландшафтов, оценить объемы загрязняющих веществ, депонированных в их основных компонентах (Скарлыгина-Уфимцева М.Д., 1980; Сает Ю.Е. и соавт., 1990; Водяницкий Ю.Н., 2010). Установление эколого-геохимических особенностей природных и техногенно измененных ландшафтов позволяют прогнозировать дальнейшие изменения в пределах данных природных комплексов и рекомендовать методы и приемы их восстановления (Мелихов И.С., 1961; Красовская Т.М., Евсеев A.B., 1990; Глазов М.В., 1997; Мотузова Г.В., 2000, 2001; Никонов В.В., 1999, 2005).

Цель и задачи исследования. Целью исследований является проведение комплексного ландшафтно-геохимического изучения и оценка эколого-геохимического состояния ландшафтов севера Среднерусской возвышенности. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Рассмотреть физико-географические условия и ландшафтную структуру изучаемого региона в ходе полевых исследований и работы с литературными источниками;

2. Исследовать почвенный покров региона, выявить особенности распространения основных типов почв на уровне морфологических и физико-химических характеристик;

3. Определить концентрации кислоторастворимых (подвижных) форм меди, цинка, свинца и марганца в почвах и снеге;

4. Определить содержание меди, цинка, свинца и марганца в вегетативных органах растений, произрастающих на незагрязненных участках, а также интенсивность биологического поглощения этих микроэлементов основными видами покровообразующих растений;

5. Изучить геохимические особенности антропогенно преобразованных территорий севера Среднерусской возвышенности;

6. Оценить степень геохимической трансформации антропогенных территорий на примере почв, растений и снежного покрова;

7. Составить картосхемы распределения загрязнения тяжелыми металлами территории крупного населенного и промышленного центра региона (на примере г. Калуга).

Объект исследования. Объектами исследования являлись зональные ландшафты смешанных и смешанно-широколиственных лесов, азональные ландшафты пойм, расположенные в пределах территории бассейнов рек Угры и Жиздры, а также сельскохозяйственные и антропогенные ландшафты (в т.ч. в пределах г. Калуга).

Предмет исследования - почвы, почвообразующие породы, растительный и снеговой покров исследуемой территории.

Методы исследования. Полевые исследования проводились автором в 2009-2011 гг. на территории Калужской области. Участки детальных фоновых исследований были расположены на северных склонах Среднерусской возвышенности в долине рек Угры и Жиздры. В ходе полевых исследований были заложены трансекты, в пределах которых проведен комплекс детальных исследований. Данная территория расположена в границах национального парка «Угра» и принята нами за условно фоновую - незагрязненную. Исследования ландшафтов, подверженных интенсивному техногенному воздействию, проводились на территории г. Калуга, где было заложено более 50 опорных точек. На всех точках условно фоновой территории проводился отбор образцов генетических горизонтов почв (более 100 образцов), покровообразующих растений (более 60 образцов), снега (более 10 образцов). На территории г. Калуга отбирались образцы почв верхней части горизонта и с глубины 0-5 см и 20-25 см (более 120 образцов), растительности (более 20 образцов) и снега (более 60 образцов). Также был произведен отбор почвенных образцов из ландшафтов, испытывающих сельскохозяйственную нагрузку (40 образцов).

Весь комплекс аналитических исследований выполнен автором в лаборатории кафедры геологии и геохимии ландшафта МПГУ. Выводы базируются на более чем 3650 элемент-определений.

Научная новизна. Впервые для данного региона проведено комплексное эколого-геохимическое исследование компонентов природных и антропогенно трансформированных ландшафтов.

Изучение основных эколого-геохимических параметров почв, покровообразующих растений и снегового покрова фоновых ландшафтов, расположенных в пределах севера Среднерусской возвышеннистргг свидетельствует о том, что все компоненты ландшафтов претерпевают незначительное изменение. Наиболее заметные антропогенные изменения отмечены в урбоэкосистемах г. Калуга. Установлено, что техногенное воздействие способствует накоплению кислоторастворимых форм тяжелых металлов. Выявлены особенности латеральной и радиальной миграции рассеянных элементов в пределах систем геохимически сопряженных ландшафтов.

Практическая значимость исследования. Фактический материал, полученный в ходе исследования, может быть использован как база данных при дальнейшем изучении рассматриваемой территории. Результаты исследований использованы при подготовке ежегодного отчета министерства экологии и природных ресурсов «О состоянии природных ресурсов и охране окружающей среды на территории города Калуга в 2011 году», внедрены в практику научной работы национального парка «Угра» (справка № 5 от 02. 08.2012 г.).

Результаты исследований представлены в министерство природных ресурсов, экологии и благоустройства Калужской области и используются для экологического мониторинга состояния окружающей среды, ранее не существовавшего в данном регионе. Результаты авторских исследований приняты Комитетом по охране окружающей среды и контролю в сфере благоустройства управления городского хозяйства г. Калуга и используются в практической работе комитета (справка о внедрении №13 от 22.03.2012 г.).

Апробация работы. Основные результаты проведенного исследования докладывались на заседании комиссии геохимии ландшафта Московского центра Русского географического общества (2012 г.), на заседаниях кафедры геологии и геохимии ландшафта МПГУ (2010, 2011 гг.), на научных чтениях МПГУ (2010 г.), а также на I Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Индикация состояния окружающей среды: теория, практика, образование» (Москва, 2010); Международной конференции «Ресурсный потенциал—почв—осноБа1хродщольствешюй экологической безопасности России» (Санкт-Петербург, 2011), Международной научной конференции ХУДокучаевские Молодежные чтения «Почва как природная биогеомембрана» (Санкт-Петербург, 2012г.), на 11 Всероссийской выставке Научно-технического творчества молодежи на ВВЦ (Москва, 2011г.).

Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ общим объемом 1,69 п.л., в том числе две в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Защищаемые положения:

1. Разнообразие ландшафтообразующих факторов в пределах севера Среднерусской возвышенности, предопределило возникновение сложных биогеосистем, сочетающих в себе элементы ландшафтов, свойственные лесной и лесостепной зоне.

2. Почвы незагрязненных территорий региона характеризуются слабокислой реакцией среды и значительным содержанием поглощенных форм кальция и магния при низкой концентрации органического углерода.

3. Содержание тяжелых металлов в почвах фоновых территорий составляет единицы мг/кг для Си, Zn и десятки и сотни мг/кг для Мп. В растениях концентрация указанных элементов определяется десятками-сотнями мг/кг, сотнями мг/кг и тысячами мг/кг соответственно.

4. Концентрации тяжелых металлов в почвах и растениях г. Калуга превышают природные концентрации по меди в 13 раз, цинку в 9 раз, свинцу в 10 раз и марганцу в 2 раза.

5. Использование различных методик классификации загрязнения почв тяжелыми металлами позволило выявить оптимальные подходы для картирования каждого из исследованных элементов и диагностики пространственного распространения загрязнений.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 188 страниц машинописного текста, включая 13 таблиц, 83 рисунка. Список литературных источников включает 116 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов", Осина, Дарья Евгеньевна

Основные результаты исследования можно отразить в следующих выводах:

1. Коренные породы Угорского участка представлены преимущественно известняками, Жиздринского - известняками и доломитами с преобладанием последних. В пределах рассматриваемой территории распространены ландшафты пологоволнистых моренных равнин с незначительным эрозионным расчленением на северном, Угорском участке детальных исследований, и расчлененные эрозионные равнины на южном, Жиздринском участке. Таким образом, в качестве почвообразующих пород в данном регионе выступают: флювиогляциальные пески и покровные суглинки на севере, и -покровные и лессовидные суглинки на юге.

2. Наличие неперекрывающихся почв, развитых на однотипных породах (лессовидных покровных суглинках) в пределах небольших пространств и равнинного рельефа - уникальное явление. Максимальное содержание гумуса (1,8-2,1 %) отмечено в гумусовых горизонтах аллювиальной почвы центральной поймы и светло-серой лесной почвы. Наибольшие концентрации кальция характерны для аллювиальных почв Угорского участка детальных исследований (30-34 мг-экв/100 г.). Коренные породы данного района имеют карбонатный состав, и кальций поступает в почву вследствие размывания рекой (р. Угра) подстилающих карбонатных пород. Максимальное содержание магния отмечено в почвах Жиздринского участка детальных исследований (16-38 мг-экв/100г). В отличие от Угорского участка, коренные породы Жиздринского района исследования представлены доломитами, которые обогащают магнием речные воды Жиздры и почвенные горизонты. Наиболее кислыми из всех исследованных почв являются дерново-подзолистые, pH которых составляет 5,5-6,3.

3. Установлено, что показатель зольности у всех исследованных растений в черте города выше, чем в аналогичных растениях, произрастающих на условно фоновой территории. Наибольшие значения показателя зольности отмечены у листьев березы (8,3) и клена (7.4), растущих вблизи крупных автомагистралей. Анализ данных о содержании тяжелых металлов в растениях г. Калуга свидетельствует о том, что медь аккумулируется более активно в листьях березы (203 мг/кг) и ветвях ели (118 мг/кг) и клена (154 мг/кг).

4. Максимальные концентрации металлов в природных почвах отмечены в аккумулятивных ландшафтах (поймах), что является следствием процесса геохимического сопряжения, сноса подвижных микроэлементов вниз по почвенному склону и аккумуляцию в подчиненных ландшафтах. Для условно фоновых почв Жиздринского и Угорского участков детальных исследований отмечены наибольшие концентрации марганца (183-245 мг/кг), что связано с обильной растительностью, накапливающей металл и обогащающей им почву.

5. Установлено, что чем выше содержание гумуса в почвах, тем в большей мере накапливаются подвижные формы меди, цинка. Это характерно для верхних гумусовых горизонтов исследованных почв.

6. Выявлено, что почвы сельскохозяйственных угодий территории исследования характеризуются более тяжелым гранулометрическим составом, более высоким показателем рН (6,5-7,4), и в отличие от естественных почв содержат больше железа (2000-3100 мг/кг), марганца (380-470 мг/кг), меди (3-7мг/кг) и свинца (3-13 мг/кг). Содержание гумуса в почвах сельскохозяйственных угодий, занятых пашней и сенокосом, выше в 2 раза по сравнению с естественными почвами и составляет 2,15,6 %.

7. Анализ полученных картосхем позволил установить, что для построения картосхем по содержанию в почве меди, марганца и свинца целесообразно использовать нормативы установленные ГОСТом, так как полученные картосхемы получаются наиболее дифференцированными и информативными по сравнению с картосхемами, построенными по исследованиям Х.Чулджияна.

8. Для антропогенно измененных почв города характерны наибольшие концентрации цинка (142 мг/кг) и свинца (250 мг/кг), что является следствием длительной техногенной нагрузки на почвы города, отсутствующей в природных ландшафтах.

9. Высокое содержание марганца в антропогенно измененных почвах города Калуга (280-360 мг/кг) связано, главным образом, не с техногенным поступлением металла в почву, а с обильной растительностью, характерной для всего города. За исключением центральных районов города, где меньше растительности и концентрации металла значительно ниже (55-150 мг/кг).

10. Анализ полученных данных свидетельствует о том, что содержание Сорг в почвах г. Калуга превышает фоновые показатели и составляет 2,9-9,1 %. Увеличение этого показателя обусловлено обилием растительного покрова, вследствие чего, увеличивается опад, а также антропогенным поступлением органополлютантов, сажи и пыли.

11. Наибольшие концентрации тяжелых металлов в городских почвах отмечены в центральном, юго-восточном и частично восточном районах города, что связано с преобладающими ветрами западного и северозападного направлений и атмосферным переносом, а также с находящимися в этих районах промышленными предприятиями, минимальное содержание металлов в почвах отмечено в западной, северо-западной и северной части города, что соответствует селитебной зоне.

Заключение

Неоднородность физико-географических условий и многовековая история преобразования ландшафтов севера Среднерусской возвышенности предопределили необходимость детального изучения состояния биогеосистем данного региона.

Исследования, проведенные на северном, Угорском и южном, Жиздринском участках детальных исследований, позволили определить диапазон колебаний фоновых показателей содержания подвижных форм меди, цинка, свинца и марганца. Установлено, что концентрации меди и цинка, содержащиеся в гумусовых горизонтах почв Жиздринского участка детальных исследований превышают аналогичные значения Угорского участка. Содержание свинца и марганца максимальное в гумусовых горизонтах почв Угорского участка исследований.

Проведенные исследования свидетельствуют, что чем тяжелее гранулометрический состав почвы, тем выше содержание в ней подвижных форм меди, цинка и свинца. Поэтому, показатели концентрации этих элементов выше, в почвах, представленных на левом берегу Жиздринского участка и правом берегу Угорского участков исследования.

В результате изучения трансект, выделенных на Угорском и Жиздринском участках детальных исследований установлено, что процессы геохимического сопряжения наиболее отчетливо проявляются в перераспределении подвижных форм меди и цинка между элементарными ландшафтами.

Химический анализ покровообразующих растений, произрастающих на севере Среднерусской возвышенности позволил установить фоновые значения зольности растений, встречающихся как в фоновых, так и в городских ландшафтах, содержание биогенных элементов и концентрации меди, цинка, свинца и марганца. Сопоставление данных о содержании металлов в гумусовом горизонте А1, почвообразующей породе и в растениях позволило вычислить коэффициенты биологического поглощения этих элементов, которые свидетельствуют об интенсивном поглощении меди и цинка растениями, произрастающими на фоновой территории. Растения, произрастающие на территории г. Калуга наиболее активно поглощают свинец и цинк.

Одним из наиболее объективных показателей техногенного воздействия на экосистему города является состояние почв и растительности. Проведенные исследования свидетельствуют о том, что почвы г. Калуга значительно отличаются по своим физико-химическим свойствам от аналогичных почв севера Среднерусской возвышенности. В результате антропогенного воздействия происходит угнетение растительности.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Осина, Дарья Евгеньевна, Москва

1. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. JT. Агропромиздат, 1987.-142 с.

2. Алещукин JI.B. Физико-химические методы при ландшафтно-геохимических исследованиях. М.: Изд-во МГПИ им Ленина, 1971.-44 с.

3. Алехин В.В. Растительность и геоботанические районы Московской и сопредельных областей. М.: Изд-во МОИП, 1947.-71 с.

4. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ,1970.-487 с

5. Атлас Калужской области. М.: ГУГК, 1971. 38 с.

6. Атлас Калужской области: 2-е изд. Калуга: Золотая аллея, 2002. - 192 с.

7. Афанасьева Т.В., Василенков В.И.,Терешина Т.В. и др. «Почвы СССР».- М.: Мысль, 1979

8. Ачкасов А.И. Распределение микроэлементов в агроландшафтах Московской области, Москва, 1987. Автореферат диссертации.

9. Бакиров A.A. Главнейшие черты геотектонического развития внутренней части Русской платформы. В сб. « К геологии центральных областей Русской платформы»,- М.: Гесгеолиздат, 1951.

10. Ю.Барбер С.А. Биологическая доступность питательных веществ в почвах. М.: ВО Агропромиздат, 1988.-376 с

11. П.Безуглая Э.Ю. Мониторинг состояния и загрязнения атмосферы в городах Л.: Гидрометеоиздат, 1986г. - 200 с.

12. Бобровский М.В. Лесные почвы Европейской России: биотические и антропогенные факторы формирования. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2010.-359 с.

13. Бова A.B. Современное состояние и техногенная трансформация ландшафтов Сумского Приднепровья. М., 1994. 222 с.

14. Боголюбов H.H. К геологической истории Калужского края в ледниковый период. Ежегодник по геологии и минералогии России, T.IX, вып. 1-2, 1907.

15. Боголюбов H.H. Материалы по геологии Калужской губернии. Тр. Оцен.-стат. отд. земск. управы Калужской губернии, т.1. Калуга, 1904.

16. Бондарев Л.Г. Роль растительности в миграции минеральных веществ в атмосфере // Природа,-1981.-№3, с. 86-90.

17. Бочкарева Н.Ф. Физическая география и природа Калужской области. Калуга.: Изд-во Н. Бочкаревой, 2003.-272 с.

18. Быстрицкая Т.Л., Тюрюканов А.Н. Почвы Мещовского ополья // Природа и сельское хозяйство Калужской области. Калуга, 1965. Т. 3. С. 69-83.

19. Вернадский В.И. Избранные сочинения Т. 1-5. М: АН СССР, 19541960

20. Викторов C.B., Чикишев А.Г. Ландшафтно-генетические ряды и их значение для индикации природных и антропогенных процессов //Ландшафтная индикация природных процессов. М.: Наука, 1978. -178 с.

21. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных элементов в почвах, 2-е изд.: М., Изд-во АН СССР, 1957,- 203 с.

22. Водяницкий Ю.Н., Добровольский В.В. Железистые минералы и тяжелые металлы в почвах. М.: Почвенный институт им. Докучаева РАСХН, 1998.-216 с.

23. Волков К.Ю. О тектонической структуре юго-западной части Подмосковного бассейна и некоторых закономерностях угленакопления. Тр. ЛАГУ АН СССР, вып. 6, 1956.

24. Воскресенский В. В. Геохимия и геофизика биосферы: Учебное методическое пособие. — Томск: ТМЦДО, 2001. — 99с.

25. Гаврилова И.П., Касимов Н.С. Практикум по геохимии ландшафта. М.: Изд-во Московского университета, 1989.-73 с.

26. Гельмерсен Г.П. Отчет о геогностических разысканиях в губерниях Тверской, Московской, Тульской, Орловской и Калужской. Горный журнал, ч.1У, № 11-12, 1841.

27. Геологический атлас Калужской области. Сост. Бобров С.П. Калуга, ООО ПГП «Притяжение», 2007.

28. Геология СССР. Том IV. Центр Европейской части СССР. Геологическое описание. М.: Изд-во «Недра», 1971. - 742 с.

29. Геохимия природных и техногенно измененных биогеосистем. М.: Научный мир, 2006.-280 с.

30. Герасимова М.И., Строганова М.Н., Можарова Н.В., Прокофьева Т.В. Антропогенные почвы: генезис, география, рекультивация. Смоленск: Ойкумена, 2003. 268 с.

31. Глазовская М.А., Касимов Н.С. Ландшафтно-геохимические основы фонового мониторинга природной среды. М.: «Наука», 1989, Академия наук СССР.

32. Глазовская М. А. Устойчивость геосистем. М.: Наука, 1983. 61 с.

33. Глазовский Н.Ф. Химический состав снежного покрова некоторых районов Верхнеобского бассейна. М.: Наука, 1983. - 86 с.

34. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология.- М.: Мир, 1990,- том 1. 368 с.

35. Даньшин Б.М. Новые данные к стратиграфии плейстоцена Подмосковного края. Изв. МГРТ, т.Н, вып. 2, 1933.

36. Джувеликян Х.А. Техногенное загрязнение почв вредными ингредиентами// Агроэкологические проблемы плодородия и охраны почв Среднерусской лесостепи. Воронеж: ВГУ, 1991. - 91-94 с.

37. Дзаногов С.Х. Тяжелые металлы в почвах Северной Осетии Алании // Матер. Первой междунар. науч. конф. «Деградация почвенного покрова и проблемы агроландшафтного земледелия» (24-28сент. 2001 г, г. Ставрополь). Ставрополь, 2001 г, с 248-249.

38. Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении. М.: Изд-во МГУ, 1995.-320 с

39. Добровольский B.B. Биогеохимия мировой суши. М.: Научный мир, 2009.-440 с.

40. Добровольский В.В. Биосферные циклы тяжелых металлов и регуляторная роль почвы // Почвоведение 1997. - №4 - с. 431-441.

41. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения. М.: Изд. центр ВЛАДОС, 2001. - 384 с.

42. Добровольский В.В. Основы биогеохимии.- М.: Академия, 2003.- 400 с.

43. Добровольский В.В. Проблемы геохимии в физической географии.- М.: Просвещение, 1984. 143 с.

44. Добровольский В.В. Рассеянные элементы в почвообразующих породах Центрально-Русской лесостепи // Почвоведение, 1957, №6,-с 56-62.

45. Добровольский В.В. Тяжелые металлы в окружающей среде. М.: Изд-во Московского университета, 1980.-132 с.

46. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экология почв. М.: Изд-во Московского университета, - Наука, 2006,- 364 с.

47. Доклад о состоянии природных ресурсов и охране окружающей среды на территории Калужской области в 2009 году., Правительство Калужской обл. Министерство экологии и благоустройства Калужской области. Калуга: Изд-во «Манускрипт», 2010. - 284 с.

48. Доклад об экологической ситуации в Калужской области в 2010 году; Министерство экологии и благоустройства Калужской области. -Калуга.: Изд-во «Манускрипт», 2011.

49. Егоров В.В., Фридланд В.М., Иванова E.H. и др. Классификация и диагностика почв СССР.-М.: Изд-во «Колос», 1977.-224 с.

50. Ермохин Ю.И., Синдирева Н.К., Трубина Н.К. Агроэкологическая оценка действия кадмия, никеля, цинка в системе почва-растение-животное:- Монография. Омск:- Вариант-Сибирь, 2002.-118 с.

51. Ежегодник состояния загрязнения воздуха и выбросов вредных веществ в атмосферу городов и промышленных центров Российской Федерации. Том "Выбросы вредных веществ"/ Под ред. М.Е.

52. Берлянда. СПб, 1994.-150 е.; Вредные вещества в промышленности/под ред. Н.В.Лазарева,-6-е изд. Ч.2.-Л., 1971.

53. Ефремов А.Н., Кандауров П.М. Природно-ресурсный потенциал Калужской области. Калуга, ВИ ЭМС, 2000.-259 с.

54. Жигаловская Т.Н., Маханько Э.П., Шилина А.И и др. Микроэлементы в природных водах и в атмосфере. М.: Гидрометеоиздат, 1974,- Вып.2 (41). - 182 с.

55. Иванов H.H. Тяжелые металлы в растениях Юго-Восточного административного округа г. Москвы // Мат. Научно практическая конференция «Докучаевское наследие в науке и практике».Смоленск,1996. 104 с.

56. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение/ Новосибирск: Наука. Сиб. отд., 1991. 151 с.

57. Ильин P.C. Почвы Калужской губернии. -• М.: Гос. почв, ин-т НКЗ РСФСР, 1928. Вып. 1. 66 с.

58. Кабата-Пендиас Н.,Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989.-439 с.

59. Ковда В.А., Якушевская И.В., Тюрюканов А.Н. Микроэлементы в почвах Советского Союза. М.: Изд-во Московского университета, 1959.-65 с.

60. Козаренко О.М. Динамика металлов в ландшафтно-геохимических условиях среднего течения реки Оки.: Автореферат дисс.канд.геогр.наук. -М., 1991.

61. Ковриго В.П., Кауричев И.С., Бурлакова JI.M. Почвоведение с основами геологии. М.: Колос, 2000.-416 с.

62. Кудинова Е.А. Геотектоническое развитие структуры центральных областей Русской платформы. М.: Изд-во АН СССР, 1961.

63. Левиков Д.А. Ландшафтно-геохимические особенности поймы среднего течения Оки. М.: Изд-во МГОУ, серия «Естественные науки», 2009 №1.-124 с.

64. Ложниченко О.В., Волкова И.В., Зайцев В.Ф. Экологическая химия. -М.: Изд-во «Академия», 2008.-272 с.

65. Лукина Н.В., Никонов В.В. Питательный режим лесов северной тайги: природные и техногенные аспекты. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 1998. 316 с.

66. Майстренко В.Н., Клюев H.A. Эколого-аналитический мониторинг стойких органических загрязнителей. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004.- 323 с.

67. Материалы VIII Всесоюзного съезда почвоведов// Изменение физических характеристик почв под влиянием антропогенного фактора, Новосибирск, 1989.

68. Мауринь A.M., Никодемус О.Э., Роман К.К. Особенности начальных этапов эволюции экосистем урбанизированных территорий. -Владивосток: ДВО АН СССР, 1989. 117 с.

69. Махонько Э.П., Малахов С.Г., Блинов Б.К., Неспятина Т.В. Содержание тяжелых металлов в растворимых осадками формах в выпадениях взависимости от расстояния от источника загрязнения. М.: Гидрометеоиздат, 1980.

70. Минаев В.Г. Экологические проблемы агрохимии. М.: Изд-во Московского университета, 1988.- 285 с.

71. Мирчик Г.Ф. О количестве оледенений Русской равнины. «Природа», №7-8, 1928.

72. Мотузова Г.В. Загрязнение почв и сопредельных сред. М.: Изд-во Московского Университета, 2000.-71 с.

73. Мотузова Г.В. Соединения микроэлементов в почвах. М.: Изд-во «Либроком», 2009.-168 с.

74. Никифорова Е.М., Кошелева Н.Е. Накопление подвижных и валовых форм свинца в городских почвах (на примере Москвы). М.: Изд-во « Камертон», 2009. - 82 с.

75. Павлов А.П. Геологический очерк окрестностей Москвы. 5-е изд. Изд-во МОИП, 1946.

76. Панов A.B. Учебно-методический курс: биогеохимические циклы в экосистемах.: Красноярск, 2007,- 171 с.

77. Перельман А.И. Атомы в природе. М.: Изд-во «Наука», 1965.-191 с.

78. Перельман А.И. Биокосные системы Земли. М «Наука», 1977г.

79. Перельман А. И. Геохимия ландшафта. М.: Высшая школа, 1975.- с. 394

80. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000, 1999.-768 с.

81. Перельман А.И. Краткий справочник по геохимии . 2 изд. М., 1977

82. Петров В.Г. Геологическое строение и полезные ископаемые Калужской области. Изд. дом «Эйдос», 2003.-440 с.

83. Пешкова Г. И. Болота Калужской области // Доклады ТСХА. Вып. 136. -М., 1968. С. 139-145.

84. Покровская С.Ф. Свинец в окружающей среде. М.: Наука, 1987. 181 с.

85. Пронина Н.Б. Экологические стрессы (причины, классификация, тестирование, физиолого-биохимические механизмы) / Н.Б.Пронина. -М.: МСХА, 2000.-312 с.

86. Ремезов И.П. Химия и генезис почв. М.: «Наука», 1989.

87. Ровинский Ф.Я., Иохельсон С.Б., Юшкан Е.И. Методы анализа загрязнения окружающей среды. Токсические металлы и радионуклиды. М.: Атомиздат, 1978. - 264 с.

88. Родин JI.E., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности Земного шара. М.: Изд-во Наука, 1965,-253 с.

89. Роде A.A. Почвоведение. М., Гослесбумиздат, 1955.

90. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П., Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990.- 335 с.

91. Семенов В. А., Семенова И. В. Водные ресурсы и гидроэкология Калужской области. Обнинск: Изд-во "Технограф", 2002. 255 с.

92. Семенов В. А., Семенова И. В., Меленчук В. И. Комплексная оценкаводных и водно-рекреационных ресурсов Калужской области // Трудырегионального конкурса научных проектов в области естественных наук.

93. Вып. 5. Калуга: Эйдос, 2003. С. 372-384.

94. Смирнов П.М., Муравин Э.А. Агрохимия.- М.: КолосС, 2003. 384 с.

95. Степочкина Т.И. Оценка водных, минеральных ресурсов и геоэкологического состояния болот юга Нечерноземья: на примере Калужской области. Автореф. диссер., 2007

96. Стрельцов А.Б., Логинов A.A., Лыков И.Н., Коротких Н.В. Очерк экологии города Калуга. Калуга: КГПУ, 2000. - 397 с.188 X

97. Труды II Всесоюзного совещания. Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. Обнинск, 1978.- 250 с.

98. Урусевская И.С. Серые лесные почвы центральных районов Калужской области. Автореферат дис. . канд. биол. наук. М., 1963. 23 с.

99. Урусевская И.С., Соколова Т.А., Шоба С.А. и др. Морфологические и генетические особенности профиля светло-серой лесной почвы на покровных суглинках. //Почвоведение. 1987. N 4. С. 5-16.

100. Утехин Д.Н. К вопросу о неоднократности оледенения территории Калужской, Тульской, Рязанской областей. «Сов. геология», сб. 28, 1948

101. Утехин Д.Н. О тектонике Калужского района. «Сов. геология», 1944

102. Фомин Г.С., Фомин А.Г. Почва. Контроль качества и экологической безопасности по международным стандартам. Справочник. М.: Изд-во «Протектор», 2001. 304 с.

103. Хомич В.А. Экология городской среды. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2006.-240 с.

104. Хомутова М.С., Соловьева М.П. История изучения растительности Калужской области. // Обнинск: Калужская городская типография, 1971,-с 99-102.

105. Хрусталева М.А. Экогеохимия моренных ландшафтов центра Русской равнины. М.: Техполиграфцентр, 2002.-315 с. 114.Чулджиян X. и др. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Экологическая конференция. - Братислава, 1988, вып 1., с. 5-24.

106. Швер Ц.А., Неушкин А.И. Климат Калуги. Ленинград.: Гидрометеоиздат, 1989.

107. Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Изд-во МГУ, 2005.-432 cl 17.