Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ОСОБЕННОСТИ ТРАНСФОРМАЦИИ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА В ЗОНЕ ИНТЕНСИВНОГО АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ОСОБЕННОСТИ ТРАНСФОРМАЦИИ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА В ЗОНЕ ИНТЕНСИВНОГО АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ"

з'дб'г

На правах рукописи

СМИРНОВА Наталья Александровна

ОСОБЕННОСТИ ТРАНСФОРМАЦИИ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА В ЗОНЕ ИНТЕНСИВНОГО АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Специальность: 03.00.16 —экология

03.00.27 — почвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Москва - Немчиновка - 2005

Работа выполнена в Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии и Всероссийском научно-исследовательском институте информатизации агрономии и экологии, г. Москва

Научные руководители: доктор сельскохозяйственных наук

Гогмачадзе Г.Д.

кандидат биологических наук, долеит Дабахов М.В.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Миненко А.К.

кандидат биологических наук Чечеткина Л.В.

Ведущая организация: факультет почвоведения

МГУ им. М.В. Ломоносова

Защита состоится 7 июля 2005 г. в 14°° часов на заседании диссертационного совета Д 220.016.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте информатизации агрономии и экологии «ВНИИ Агроэкоинформ» по адресу: 143026, Московская область, Одинцовский район, пос. Немчинов-ка-1, ул. Агрохимиков, дом 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «ВНИИ Агроэкоинформ».

Автореферат разослан 3 июня 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, л I кандидат сельскохозяйственных наук ^шаков Ю.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований

Анализ последствий антропогенного преобразования городских почв, являющегося неизбежным результатом современных тенденций в развитии промышленного производства и транспорта, в настоящее время указывает, что территории поселений превратились в районы геохимических аномалий элементов и соединений, являющихся токсичными для человека, животных и растений. Возникновение антропогенных геохимических аномалий элементов связано с двумя процессами: I) интенсивным потоком техногенных элементов из местных промышленных и коммунальных источников, на который накладывается трансграничный перенос; 2) изменением базовых почвенных характеристик (физико-химических свойств, содержания гумуса), которые влияют на условия миграции и трансформации загрязняющих веществ, а также определяют условия произрастания сельскохозяйственных и парковых культур, площади которых в городской черте весьма значительны.

Существующая в настоящее время необходимость исследования экологического состояния городских почв определяется многообразием функций, выполняемых почвенным покровом, что, в свою очередь, требует дифференцированного подхода к площадям, используемым под застройку и для нужл промышленного производства, для формирования зеленых зон, выращивания сельскохозяйственных культур и других целей. В этих условиях стандартный подход к экологической оценке почв, заключающийся в констатации содержания в них поллютантов и сопоставлении его с санитарно-ги гиеничеекими нормативами, совершенно недостаточен. В то же время система анализа полученных в рамках экологических исследований почвенного покрова данных не разработана.

Цель и задачи исследования

Основной целью исследования являлась комплексная оценка антропогенного воздействия на состояние почвенного покрова городского ландшафта, которая позволит углубить подходы к идентификации источников зшряз-нения и дать максимально полную характеристику трансформации почв с учетом множественности факторов воздействия.

Дня достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• оценка трансформации физико-химических свойств почвенного покрова с учетом показателей кислотно-щелочной буферности;

• характеристика гумусного состояния почв различных функциональных зон города;

• определение уровня загрязнения почв промышленной, селитебно-транснортной, селитебной, рекреационной зоНц^^^жс^придоро: шых полос тяжелыми металлами; ф0Нд научной литера гуры

• выявление закономерностей распределения металлов но функциональным зонам с различным уровнем и характером антропогенного воздействия;

• оценка уровня загрязнения сельскохозяйственных земель в пределах городской черты.

Научна и новизна

Впервые произведена детальная оценка влияния промышленных факторов на загрязнение почвенного покрова промышленной зоны и прилегающих территорий тяжелыми металлами, включающая в себя определение общего содержания свинца, кадмия, цинка, меди, никеля и хрома и их подвижности. При этом на стадии планирования исследования был сделан акцент на четкой привязке площадок отбора проб к определенным функциональным зонам города и промышленным объектам, что позволило более адекватно охарактеризовать степень влияния источников площадного и фонового воздействия на почвы. Определены приоритетные завязните л и и их ассоциации, характерные для различных зон.

Детально рассмотрены свойства почв, определяющие условия миграции и трансформации тяжелых металлов, а также условия произрастания сельскохозяйственных и парковых растений, включающие в себя содержание органического углерода и физико-химические показатели. К последним относятся кислотность, буферная емкость в различных диапазонах рН, интенсивность поглощения протонов и гидроксила, предельная кислотная и щелочная нагрузка на почвы.

Произведена оценка экологического состояния почв сельскохозяйственного назначения в пределах юродской черты. Практическая значимость

Результаты исследования используются при оценке воздействия технологических процессов на состояние почвенного покрова промышленных площадок и санитарно-защитных зон ОАО «ГАЗ» в рамках производственного экологического контроля. Полученные данные являются основой для принятия управленческих решений по осуществлению природоохранных мероприятий, составления проектной документации по повышению устойчивости и рекультивации деградированных и нарушенных земель. Методы оценки со* стояния почв, использованные в работе, а также полученная база данных, могут получить широкое распространение в практике государственного эколога ческого контроля и мониторинга почв территорий с высоким уровнем антропогенной нагрузки.

Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для оценки экологического риска сельскохозяйственного производства в пределах городской черты.

Основные положения работы используются в учебных курсах Нижегородской ГСХА в процессах преподавания дисшшлин: методы экологических исследований, экологический мониторинг, экономика природопользования, охрана окружающей среды и рациональное природопользование. Защищаемые положения • "

• основными направлениями трансформации почвенного покрова промышленных районов являются антропогенное подщелачивание, увеличение площадной контрастности содержания органического вещества и поллютантов;

• промышленное производство является основным зафязнителем почвенного покрова, при этом главным фактором образования аномалий тяжелых металлов является размещение и временное хранение отходов на промышленных площадках, а также отсутствие экологического контроля их состава при использовании в целях зеленого строительства и при планировании территории;

• сельскохозяйственное использование земель, находящихся в пределах городской черты, должно сопровождаться детальным экологическим мониторингом почв и продукции растениеводства, особенно актуальным в мелких садоводческих хозяйствах.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались па научных и научно практических конференциях (Нижегородский государственный университет, г. Н. Новгород, 2002 г., Почвенный институт им. В.В. Докучаева, г. Москва, 2002 г.), Международный научно-промышлепный форуме «Великие реки», г. Н. Новгород (2004).

Общее количество опубликованных работ представлено 3 наименованиями (личное участие обозначено 0,5 печатных листа).

Программа исследований промышленного воздействия в рамках производственного экологического контроля в части контроля почв согласована с государственными природоохранными органами. Результаты представлены в экологической отчетности предприятия. Структура и объем диссертации

Диссертационная работа содержит введение, три главы содержательной части, выводы и рекомендации производству. Она изложена на 172 страницах, содержит 33 таблиц, 7 рисунков и б приложений. Список литературы имеет в своем составе 175 наименований, в том числе 25 публикаций иностранных авторов.

Отдельную благодарность выражаю главному экологу ОАО «ГАЗ», доктору технических наук С.Д. Цымбалову за возможность выполнения работы на базе лаборатории экологического мониторинга Управления экологии ОАО «ГАЗ» и заведующей кафедрой агрохимии и агроэкологии Нижегород-

ской ГСХА, доктору сельскохозяйственных наук, профессору В.И. Титовой за консультационную, организационную и моральную поддержку в течение всего периода работы нал диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Обзор литературы Проведен анализ публикаций, касающихся антропогенной трансформации почв крупных поселений и промышленных зон, включая вопросы образования аномалий тяжелых металлов, а также характеристики и изменения основных почвенных показателей: кислотности, буфер]юсти, содержания гумуса. Рассмотрены особенности городского почвообразования, а также вопросы оценки экологического состояния почв.

2. Объекты и методы исследования Объектами исследования являлись почвы Автозаводского и Ленинского района г. Н. Новгорода, крупного промышленного, научного и культурного центра Приволжского региона. Основным промышленным предприятием территории является ОАО «Горьковский автомобильный завод». Кроме того, здесь расположен ряд предприятий машиностроения, транспортного, коммунально-бытового хозяйства, а также развитая транспортная сеть с интенсивным движением.

Методы исследований. Отбор проб на изучаемой территории производился с учетом функциональной нагрузки. При этом были выделены следующие зоны.

1. Рекреационная (парковая') зона. Зону формируют территории, к наиболее крунным из которых относятся СтригинскиЙ бор, Парк Культуры автозавода и парк «Дубки». 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 находится на юго-западной окраине Автозаводского района на расстоянии 6,7 км от промышленных площадок ОАО «ГАЗ». Почвенный покров бора практически не изменен и представлен в основном песчаными и супесчаными дерновыми почвами естественного сложения.

Автозаводский парк расположен на расстоянии 1,2 км к западу от промышленных площадок ОАО «ГАЗ». К северу от парка находятся преимущественно спальные районы без крупных предприятий-источников выбросов. На южной и восточной границе парка расположены крупные автомагистрали с интенсивным движением. Антропогенное воздействие на почвенный покров здесь в настоящее время связано с выбросами промышленных предприятий и автотранспорта, а также интенсивной рекреационной нагрузкой (вытаптывание, замусоривание). Почвенный покров парка представляет собой

комплекс насыпных и нарушенных естественных почв, достигших определенного равновесия с внешней средой (генетической взаимосвязи с другими компонентами ландшафта и между горизонтами).

Парк «Дубки» находится на 1ранице между Автозаводским и Ленинским районом и представляет собой участок естественно!« ландшафта с минимальным уровнем механического нарушения почвенного покрова, представленного подвергшимися химической трансформации аллювиальными дерновыми суглинистыми почвами, и растительности. Эта территория находится в зоне интенсивного тех« го генного 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 оживленных автотрасс.

2. Промышленная зона — территория промышленных площадок ОАО «ГАЗ». Основными производствами являются литейное (черное и цветное литье), ТЭЦ, сборочные, окрасочное. На ряде производств имеются гальванические участки. На территории расположены участки временного размещения промышленных отходов и вторичных материалов (иловые карты очистных сооружений, карты отходов гидрозолоудаления, площадки хранения цветного и черного металлолома, карты отходов химводоочистки). На территории завода имеется ряд автопарков с инфраструктурой. По всей промышленной площадке осуществляется интенсивное движение грузового транспорта. Почвенный покров имеет в основном насыпной характер, однако на большей части территории состояние зеленых зон и почвы поддерживается в хорошем состоянии за счет применения высокоплодородных 1рунтов. На территории гавани (между промышленными корпусами и р.Окой) сохранился участок дубравы.

3. Селитебная (жипазО зона представлена районами с низкой этажностью, без существенного влияния транспорта. Обследовались преимущественно почвы дворов и их зеленых зон.

4. Селитебпо-трапспортная зона — это районы с повышенной этажностью, интенсивными транспортными линиями. Участки этой зоны находятся в непосредственной близости от промышленных объектов, а также от транспортных магистралей с высокой интенсивностью движения.

5. Транспортная зона включает в себя придорожные территории вдоль автомагистралей района с движением различной степени интенсивности. Данная зона выделена с целью вычленения влияния автотранспорта на почвенный покров различных функциональных зон, через которые проходят транспортные магистрали).

6. Агротехногеиная зона — территория, отведенная под сельскохозяйственные угодья. Почвенный покров зоны представлен в основном естественными почвами с различной степенью агрогенной трансформации (от земель

со стандартной для крупных хозяйств агротехникой до высокоокультурсн-ных почв садовых участков) с наложением влияния химической трансформации.

Учитывая зональность городской территории, густота отбора почвенных проб зависела от экологической значимости исследуемой зоны — наименьшее количество образцов отбиралось в рекреационных зонах, сохранивших природные ландшафты, а наибольшее — вблизи транспортных автомагистралей, жилых кварталах и в промышленной зоне.

При обследовании территории было отобрано 224 образца почвы (из слоен 0-5 и 5-20 см) с 112 площадок (10x10 м2). В отобранных пробах на базе аккредитованной лаборатории экологического мониторинга Управления экологии ОАО «ГАЗ» производилось определение содержания кислотораство-римых (вытяжка 5М НМОз с трехчасовым кипячением) и подвижных форм (вытяжка аммонийно-ацетатного буфера с рН 4,8) тяжелых металлов, органического углерода, подвижного фосфора и обменного калия (о вытяжке 0,2М НС1), обменной и гидролитической кислотности, а также кислотно-щелочной буферности. Последний показатель определялся по схеме: Хг пробы 1 234567В9 10 11

0,1н НС1, мл 16 86420.....

0,1н№ОН, мл...... 2 4 6 8 16

НА мл 9 17 19 21 23 25 23 21 19 17 9

В качестве критериев оценки использовались критические уровни кислотной и щелочной нагрузки. В качестве первого использовалось количество ммоль II* на 1 кг почвы, необходимых для достижения значения рН 3,5. КригическиЙ уровень щелочной нагрузки определялся по количеству ммоль ОН" на кг почвы, требующихся для достижения значения рН 8,5, Кроме это-1«, расчетным способом определялось количество кислотных и щелочных эквивалентов, поглощаемых почвой в различных диапазонах рН, а также эффективность поглощения ионов Н* и ОН".

3. Результаты исследований 3.1. Трансформация базовых почвенных харастериетик

Одними из наиболее значимых свойств почв, определяющих процессы миграции и трансформации загрязняющих веществ и их соединений, а также устойчивость урболандшафта к антроп01енн0му воздействию, являются физико-химические показатели (кислотность, буферкость), а также содержание Гумуса.

Антропогенная деятельность способствует изменению состава и содержания органического углерода в почвах. К основным отличительным чертам гумусовот профиля естественных почв, находящихся в пре-

делах заречной части Н.Новгорода, относятся относительно высокое содержание органического углерода в верхних нескольких сантиметрах почвы и последующее резкое его снижение. Данное распределение характерно для маломощных дерновых и дерново-подзолистых почв прилегающих к городу территорий Левобережья р.Оки, сформированных на отложениях легкого гранулометрического состава.

1. Содержание органического углерода в почвах функциональных зон

Автозаводского района г. Н. Новгорода, %

Функционал ьные зоны Слой, см Кол-во площадок М±м шах тш

Рекреационная 0-5 28 6,40 >0,41 12,74 2,75 34,1

5-20 4,40+0,67 20,89 2,00 80,2

Транспортная 0-5 24 4,08+0,62 11,82 0,21 73,8

5-20 3,12+0,49 9,38 0,21 76,6

Селитебная 0-5 5 3,63+0,46 5,20 2,69 28,1

5-20 2,83+0,29 3,62 2,05 22,6

Сслитебно-транспортная 0-5 13 3,39+0,31 5,38 1,81 33,0

5-20 2,92+0,33 5,99 1,59 41,1

Промышле! 1 кая 0-5 3! 5,02+0,59 13,52 1,38 65,7

5-20 3,45+0,34 9,81 1,13 54,8

В почвах, имеющих различную степень антропогенной трансформации, можно наблюдать увеличение или снижение содержания органического вещества, в зависимости от почвообразующих пород, растительного покрова, изменения процессов гумусообразования и характера антропогенного воздействия. Эти разнонаправленные процессы могут наблюдаться на вестма ограниченной территории, что особенно заметно в промышленной и транспортной зонах.

Увеличение содержания органического углерода связано со следующими процессами:

- использование в ходе работ по озеленению привозных 1рунтов с высоким содержанием органического вещества — этот процесс является доминирующим в промышленной, транспортной зоне, а также в районах застройки;

- формирование условий, благоприятных для развития растительности и поступления в почву растительного опада, что имеет место в некоторых парковых зонах;

- некоторое влияние на содержание органического углерода в почвах оказывает поступление ряда техногенных веществ (нефтепродуктов, сажи и ДР-).

Снижение содержания органического углерода связано с деградационными процессами, вызываемыми вытаптыванием и загрязнением почв, что неблагоприятно влияет на ряд почвенных режимов, состояние растительности и функционирование почвенной микрофлоры. В районах застройки определенную роль Н1рает снижение освещенности территории.

В целом, распределение органического углерода в почвах города довольно неравномерно и определяется комбинацией вышеупомянутых факторов, повышающих или снижающих содержание гумуса в почвах.

Результаты определения обменной кислотности в различных функциональных зонах показывают, что высокое значение показателя имеет место в селитебной, еелитебно-транспортной и промышленной зонах (табл. 2).

2, Обменная кислотность городских почв

Функциональн ые зоны Слой, см Количество площадок М+т шах min V,%

Рекреационная 0-5 S-20 28 5,19±0,24 7,05 3,12 24,5

5,02+0,22 7,05 3,18 22,9

Транспортная 0-5 5-20 24 6,48+0,25 7,62 3,41 18,8

7,08+0,20 8,42 3,62 13,7

Селитебная 0-5 5 7f 13+0,07 7,33 6,88 2,2

5-20 7,00+0,11 7,24 6,64 3,4

Селитебно-транспортная 0-5 13 7,25+0,07 7,63 6,68 3,3

5-20 7,24+0,10 7,75 6,46 4,8

Промышленная 0-5 31 7,20+0,09 8,03 5,94 6,8

5-20 7,15+0,14 8,42 5,01 11,1

Агротехн ora шая 0-5 п 6,07+0,29 7,03 4,20 15,7

5-20 6,05+0,38 7,90 4,10 21,0

Транспортная зона отличается значительной неоднородностью. Это связано с тем, что показатель обменной кислотности почвы в зоне, прилегающей к транспортным магистралям, определяется, ио-видимому, не выбросами от транспорта, а наличием или отсутствием более значимых источников воздействия. Так, участки придорожных полос, расположенные в районе пос. Стригино и Мостостроя имеют очень силыюкислую реакцию среды. На участках вдоль пр. Ленина, ул. Новикова-Прибоя и некоторых других, находящихся в районе промплощадок ОАО «ГАЗ», напротив, реакция среды слабощелочная. Влияние самих автотрасс достаточно локально и связано, в основном, с материалами, используемыми при строительстве. Как правило, плодородный слой на этих участках имеет мощность до 20 см, а ниже располагается слой карбонатного щебня различной степени выветренности.

Местами в придорожных полосах встречаются площадки с пониженным значением рН. Такие результаты могут быть обусловлены локальными

факторами, в частности, использованием для озеленения придорожных полос привозных грунтов, приготовленных на основе торфа.

То же самое можно сказать и о рекреационной зоне, где перепад между значениями показателя кислотности в парковой почве 1устонаселенного промышленного района и пригородной лесопарковой зоны велик именно из-за различий в фоновом воздействии промышленных объектов города. В то же время уровень подщелачиваиия парковых зон относительно низок, что связано, но всей вероятности, с влиянием растительного опада, нейтрализующего щелочные выпадения, отсутствием влияния застройки и некоторым удалением от источников атмосферных выбросов.

В селитебной и селитебно-траиспортиой зонах реакция среды формируется преимущественно влиянием застройки. Рассмотрение морфологии почв показывает, что практически повсеместно в этих зонах на глубине 20-40 см располагается более или менее мощный слой строительного мусора, засыпанного после завершения строительства маломощным слоем привозного или местного грунта. При этом данный слой обеспечивает достаточно высокую буферностъ почв, формируя карбонатную буферную систему,

В промышленной зоне значение кислотности находится под влиянием таких мощных тех] го генных факторов, как щелочные пылевые выпадения, концентрация которых здесь наиболее велика по сравнению с рапсе рассмотренными зонами, строительная пыль и отходы, а также временное хранение промышленных отходов. Влияние отходов отчетливо просматривается на территории гавани: между главной промышленной площадкой ОАО «ГАЗ» и р. Ока. Здесь в течение длительного периода времени производилось складирование литейных отходов, а также до 2002 года располагался пшакоотовал. В районе расположения иловых карт, ряда других площадок временного размещения отходов значение рНка также имеет высокое значение. Как исключение можно выделить сохранившийся в районе гавани участок дубравы, исходные почвенные условия и состав древостоя в котором аналогичен парку «Дубки». Здесь можно констатировать наличие зональных условий, способствующих естественному увеличению почвенпой кислотности.

Одним из наиболее важных свойств почв, играющих особую роль в выполнении их экологических функций, является буферность. Этот показатель изучался на территории рекреационных зон Автозаводского района методом оценки изменения реакции почвенной пробы при добавлении раствора кислоты или щелочи. В ходе этой работы определялась буферная емкость почв к подкислсшпо и подщелачиванию (Е). В качестве буферной емкости в данном исследовании принималось количество Н* и ОН' на I кг почвы, необходимых для достижения значения рН суспензии 3,5 и 8,5: верхний и нижний предел реакции почвенной среды, при достижении которого почва считалась полностью деградированной.

Полученные данные свидетельствуют о наибольшем буферном потенциале почвенного покрова парка «Дубки», где количество кислоты, требуемое для снижения рН почвенной суспензии до 3,5, не опускалось ниже 82,3, а в ряде случаев превышало 160 ммоль Н'/кг. В Автозаводском парке буфер-ность почвы была несколько ниже, что связано, но всей видимости, с меньшим содержанием органического вещества и более легким гранулометрическим составом. Минимальная буферная емкость характерна для почв Стри-гн некого бора. В почве большинства контрольных площадок она находится на уровне единиц ммоль/кг почвы. Поглощение ионов Н+ происходит в основном в диапазоне 1,0-3,0 единицы рН.

Данные по оценке буферности к подщелачиванию показывают, что в среднем для достижения критического значения 8,5 единиц рН в Автозаводском парке требуется для слоя 0-5 см 73,6 ммоль ОН7кг и для слоя 5-20 см — 68,5 ммоль ОНУкг. В парке «Дубки» для аналогичного подщелачивания требовалось в среднем 63,2 и 58,3 ммоль ОНУкг для первого и второго слоев соответственно. Однако данное различие, по-видимому, связано с большей исходной кислотностью почвенной суспензии.

Общее количество ионов гидроксила, поглощенного в нескольких диапазонах ночветюй кислотности, различается в небольшой степени, а в почвах Автозаводского парка в диапазоне 7,0-8,0 единиц рН она несколько выше, чем при 8,0-9,0. В то же время, учитывая логарифмический характер данного показателя, такое однообразие свидетельствует о заметном снижении нейтрализации поступающих в почву оснований с ростом величины рН. Такая же тенденция имеет место и в почвах Стригипского бора. На этом же объекте можно отметить, что, несмотря на достаточную близость значений буферной емкости, здесь и на других двух объектах, в почвах Стригинского бора она связана с высокой исходной кислотностью, о чем свидетельствуют существенно более низкие значения поглощения гидроксила в различных диапазонах рН, особенно при рН 7,0-9,0.

Это же положение иллюстрируется следующим примером: в эксперименте из всех отобранных почвенных проб в парке «Дубки» при добавлении щелочи значение рН 10,0 было достигнуто в 44,4% проб, рН 11,0 - в 22,2% и рН 12,0 —в 5,6% проб; в Автозаводском парке аналогичных значений рИ достигло соответственно в 72,2, 11,1 и 0% проб; в Стригинском бору — соответственно в 66,7,55,6, и 22,2% проб.

Как и в случае эффективности кислотной буферности, щелочная бу-фермость почв снижается с увеличением величины рН. Если в кислом и нейтральном диапазонах остаточная щелочность почвенной суспензии имела порядок пх I О"5- п* 10'Чо, то в слабощелочном-щелочном диапазоне этот показатель возрастал до единиц и десятков процентов.

Для оценки эффективности поглощения ионов Н+ и ОН' был рассчитан показатель, отражающий процент увеличения содержания указанных ионов в почвенной суспензии от количества добавленных кислоты или щелочи. В дальнейшем в работе эти показатели будут называться «остаточная кислотность» и «остаточная щелочность».

Рассмотрение результатов показывает заметное изменение эффективности поглощения ионов Н* и ОН* в зависимости от диапазонов реакции среды, а также существенные различия между исследованными территориями по эффективности поглощения в данных диапазонах (табл. 3-4).

3.Остаточная кислотность почвенной вытяжки при добавлении кислоты, % от _добавленного количества 0,1Н I1C1_

Участки Слой, см Диапазон i )П

8-7 7-6 6-5 5-4 4-3 3-2 2-1

Парк «Дубки» 0-5 0,0009 0.008 0,051 0,653 3,64 4,95 -

5-20 0.0005 0,026 0,089 1,049 5,75 16,62 -

Автозаводский парк 0-5 - 0,024 0,066 0,426 3,65 7,04 -

5-20 - 0,093 0,385 0,894 5,31 13,37 34.85

Стрлгинский бор - - - 0,601 12,71 16,63 37,39 63,53

- - - 1,620 24,29 28,30 40,73 60,01

4. Остаточная щелочность почвенной вытяжки при добавлении щелочи, % егг _добавленного количества 0,1Н NaOH_

Участок Слой, см Диапазон pll

4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-П 11-12

Парк «Дубки» 0-5 - - 0.0048 0,0079 0.056 0.45 4.18 14.2

5-20 - - 0,0303 0,0287 0,071 0,3В 5,30 22,8

Автозаяод-сшй парк 0-5 - - 0,0022 0,0085 0.072 0,40 1.31 -

5-20 - 0.0005 0.0017 0.0114 0,086 0,79 1,91 -

Стригин-скиВ бор 0-5 0,0001 0,0003 0,0009 0.0067 0,451 0,98 10,06 18,7

5-20 0,0005 0,0012 0,0015 0,0166 0,118 1,58 12,78 28,1

Получено, что, независимо от исходной реакции среды, почвы Стри-гинского бора по сравнению со своими городскими аналогами менее эффективно поддерживают свои физико-химические показатели. Исключением является диапазон рН ниже 7,0, где эффективность поглощения гидроксила возрастает. В целом, однако, можно сделать заключение о том, что процессы антропогенной трансформации почвенного покрова рекреационных зон заречной части г, Н. Новгорода (Автозаводский парк и парк «Дубки») оказали положительное влияние на их буферность,

3.2. Загрязнение городских почв тяжелыми металлами

Сравнительный анализ характера загрязнения почв исследуемой территории тяжелыми металлами указывает на заметно более высокий уровень со-

держания металлов в промышленной зоне (табл. 5). В качестве основных особенностей элементного состава почв и площадного распределения зафяз-НС1ШЯ можно назвать повышенные концентрации всех определяемых металлов, а также высокую контрастность загрязнения. При этом аномалии загрязнителей приурочены или к местам размещения отходов (действующим или существовавшим ранее) или к производствам, связанным с переработкой и транспортировкой отходов. Влияние промышленных выбросов на загрязнение почв относительно низкое. Также характерной особенностью почв промышленной зоны является тесная корреляционная зависимость между парами элементов из группы РЬ-С<3-2п-Си-№: коэффициенты корреляции варьируют в пределах 0,69-0,94, что может считаться признаком их поступления в почву из одного источника.

На остальной территории уровень суммарного загрязнения почв на порядок ниже, что свидетельствует о достаточно локальном влиянии промышленных факторов на загрязнение почв. В то же время имеют место отдельные контрастные аномалии тяжелых металлов. В частности, на одной из площадок рекреационной зоны (парк «Дубки») содержание токсичных элементов в слое 0-20 см составило: свинца 648,7, кадмия - 116,9, цинка - 3760,2, меди — 1453,5, никеля - 496,4, хрома - 1179,2 мг/кг. Это, предположительно, связано с использованием в целях планирования территории осадка сточных вод или с его несанкционированным размещением.

Участки, прилегающие к автомагистралям (транспортная зона), традиционно представляют интерес с точки зрения их загрязнения свинцом. Для того, чтобы вычленить влияние транспорта на загрязните юродских ночв, отбор проб проводился в зонах с различным уровнем фоновой нагрузки (промышленной, селитебной, рекреационной и др.) на расстоянии 10 и 50 м от дорог. Полученные результаты свидетельствуют о незначительном влиянии выбросов автотранспорта на загрязнение придорожных полос. За исключением редких случаев содержание свинца в пробах, отобранных на расстоянии 10 м от автотрасс, не превышало концентраций в пробах, взятых с площадок, расположенных дальше.

В остальных функциональных зонах существенных различий по степени загрязнения выявлено не было. Однако с помощью метода построения корреляционных матриц был ныяален ряд ассоциаций элементов, характеризующих элементный состав и характер загрязнения функциональных зон; в фоновом районе (Стригннскнй бор) коэффициент корреляции между всеми парами металлов близок к единице, в селитсбно-транспорткой выделены ассоциации 7п-Си-Са, гп-РЬ и Си-РЬ (г = 0,69-0,85), в селитебной - гп-СА и гп-РЬ (0,72-0,78), транспортной - и 7п-РЬ (0,76-0,88).

5. Содержание тяжелых металлов в функциональных зонах, мг/кг

Функциональные зоны Слой, см РЬ Сс1 2а Си № Сг 2с

к/ф* п/ф к/ф* п/ф к/ф* п/ф к/ф* п/ф к/ф* п/ф к/ф* п/ф

Рекреационная 0-5 26,9 7,7 0,15 0,08 62,0 14,5 34,7 0,6 15,4 1,0 10,3 0,2 11,3

5-20 183 м 0,12 0,05 44,8 7,8 31,7 0,9 193 1,0 8,7 0,2

Промышленная 0-5 98,1 49,3 0,69 0,42 386,8 207,1 132,5 22,8 64,8 9,5 69,2 4,2 117,9

5-20 105,3 42,9 1,18 0,86 387,4 247,1 128,4 31,3 64,3 9,5 47,0 4,2

Селитебная 0-5 28,5 7,6 0,14 0,06 97,8 32,1 18,6 1,8 15,6 1,4 18,3 0,6 16,0

5-20 20,3 6,4 0,09 0,03 70,2 30,8 17,4 2,3 17,2 1,5 22,7 0,8

Селитебно-транспортная 0-5 31,2 8,7 0,17 0,10 85,1 29,6 20,3 2,1 17,0 1,4 15,4 0,6 17,3

5-20 31,0 9,0 0,14 0,04 73,4 27,8 21,3 ! 2,1 16,7 1,4 16,1 0,9

Транспортная 0-5 29,1 8,1 0,23 0,14 70,6 20,7 25,1 2,4 15,5 1,9 15,2 0,9 24,7

5-20 24,7 8,2 0,54 0,16 51,8 16,3 28,7 | 2,9 16,0 1.2 15,4 1,3

* к/ф - кислогорастворимая форма (5М НКОз с кипячением) п/ф - подвижная форма (аммонийно-ацетатный буфер с рН 4,8)

В ходе работы была определена доля подвижных форм тяжелых металлов в почвах. Получено, что степень подвижности свинца в среднем составила 1732%, кадмия - 50-70%, цинка 18-36%, меди - 4-11%, никеля - 5,1-9,2% и хрома — 1-7%. При этом на территории с повышенным уровнем поступления металлов (промышленная зона) подвижность меди, хрома и никеля была существенно выше, чем в других зонах (20, 14 и 14% соответственно). В то же время степень подвижности наиболее токсичных элементов (РЬ, С«1, 7л\) практически не зависела от их общего содержания и расположения площадок отбора проб,

В целом в качестве приоритетных загрязнителей исследуемой территории можно выделить цинк, медь и свинец, поступление которых связано преимущественно с промышленными источниками и, в меньшей степени, транспорта. В то же время за пределами промышленных площадок их концентрация практически не достигает пределов фитотоксичности для парковых и газонных растений, а также содержания, при котором уровень загрязнения металлами приземной атмосферы достигает предельных значений (ИДК).

3.3. Экологическое состояние почв сельскохозяйственного назначения в пределах городской черты

Среди проблем, связанных с экологическим состоянием агроландшаф-тов, особое место занимают сельскохозяйственные территории, находящиеся в пределах городов и поселков городского типа.

Все сельскохозяйственные земли на урбанизированных территориях делятся на несколько категорий: 1) земли крупных хозяйств с традиционной для них системой земледелия и применения удобрений; 2) земли садоводческих товариществ и приусадебных участков; 3) тепличные хозяйства.

Землепользование на территориях первой категории слабо отличается от такового за пределами городской черты. Как правило, эти земли включаются в городской земельный фонд в результате постепенного расширения городской застройки и далее отчуждаются под строительство различных объектов, Системы земледелия в этих хозяйствах отличаются относительным однообразием. То же самое можно сказать и об экологаческих проблемах, которые сходны с проблемами остальных сельскохозяйственных территорий: дегумификация, агроистошепис, загрязнение тяжелыми металлами и органическими токсикантами и др.

Основную специфику землепользованию в урбанизированных районах придают земли второй и третьей категории. По поскольку почвы тепличных хозяйств большей частью относятся к искусственным и чаще всего рассматриваются как субстраты, а не как особое природное тело, большее внимание уделялось почвам садоводческих товариществ и приусадебных участков.

Как правило, эти почвы находятся на самых проблемных территориях. Они расположены на небольшом удалении от крупных промышленных предприятий (на территории Н. Новгорода — к автозаводу) и транспортным магистралям. В то же время именно эти почвы являются средством производства самого разнообразного набора культур: овощных, плодовых, ягодных. Учитывая традиционно высокую урожайность, получаемую на небольших участках, несопоставимую с урожайностью в крупных хозяйствах, можно предположить наличие не только высокого разнообразия получаемой продукции, но и значительного валового продукта.

Высокая продуктивность городских земель сельскохозяйственного назначения связана с особенностями материального и энергетического баланса урбанизированных ландшафтов. Крупные населенные пункты и промышленные районы являются зонами концентрированного потребления энергоносителей. При этом лишь небольшая их часть расходуется производительно, остальная рассеивается в виде тепла, что в значительной мере определяет микроклимат территории, способствуя повышению температуры и испаряемости, что увеличивает срок вегетации культур и, соответственно, их урожайность.

Помимо непреднамеренных энергетических субсидий, сельскохозяйственные земли урбанизированных ландшафтов получают значительное количество элементов и соединений, являющихся источниками минерального питания растений. С сухими и влажными осадками па поверхность почвы попадают аммонийный и нитратный азот, фосфаты, сульфаты, калий, кальций, магний, микроэлементы.

О масштабах поступления биофильных элементов техно! энного происхождения свидетельствуют результаты исследований. Так, по данным изучения экологического состояния почв агротехногенной зоны, среднее содержание подвижных фосфатов в верхнем горизонте составило 415 мг/кг, калия — 189 мг/кг, что весьма значительно, учитывая легкий гранулометрический состав этах почв.

Одной из особенностей городских почв по сравнению с естественными является более высокое значение рН, что связано с щелочной реакцией пылевых выбросов. Результаты исследований, проведенных в агротехношшой зоне заречной части г. Н. Новгорода однозначно подтверждают эту тенденцию: рН верхнеш горизонта почв сельскохозяйственного назначения составило в среднем 6,05. В то же время за пределами непосредственного влияния промышленных объектов (Стрнгинский бор) рН в среднем составил 3,74. С агрономической точки зрения это изменение реакции среды имеет положительное значение, исключая необходимость проведения известкования.

Агротехногенная зона также отличается высоким разбросом показателей от сильнокислых до нейтральных значений, хотя в среднем она имеет более нейтральные почвы по сравнению с рекреационной зоной и более кислые

по сравнению с промышленной, селитебной и сслитсбно-транспортной зонами. Здесь на значение обменной кислотности почв влияет принадлежность сельскохозяйственных площадей крупным хозяйствам или мелким собственникам, что определяется типом применяемой агротехники, видами вносимых удобрений, а также их количеством.

Эти же факторы в значительной степени определяют гумусовое состояние почв. В агротехногениой зоне (частный сектор и садоводческие товарищества) гумусовый состав почв формируется за счет высоких доз органических удобрений (навоз, компосты, торф), а также интенсивной ручной обработки. В результате здесь создаются условия для аккумуляции мягкого ¡умуса с высокой долей легкоминерапизуемых фракций, а также относительно высоким соотношением углерода гуминовых и фульвокислот, а высокий уровень минерализации органического вещества при многочисленных обработках и выращивании преимущественно пропашных культур компенсируется внесением органических и минеральных удобрений.

В то же время для территории крупных сельскохозяйственных предприятий, входящих в городскую черту, характерны те же проблемы, которые в последние годы имеют место на большинстве сельскохозяйственных уххь дий: слабый уровень агротехники, низкий уровень насыщенности удобрениями (особенно органическими), повышенная минерализация гумуса.

В среднем па сельскохозяйственных землях содержание органического углерода было 3,09%, что ниже, чем в почвах других функциональных зон.

В то же время сельскохозяйственное использование городских земель имеет ряд отрицательных моментов, связанных, в первую очередь, с загрязнением почв. Имеющиеся данные показывают, что почвы этой зоны имеют довольно высокий уровень загрязнения тяжелыми металлами (табл. 6),

Всего выявлено 54,5% проб с превышением нормативного значения свинца в агротехногениой зоне, хотя в основном эти превышения невелики. В то ж время в среднем уровень превышения фона здесь составил 8,9 единиц. Следует отметить более низкий по сравнению с ранее рассмотренными зонами уровень подвижности элемента, в основном находящийся па уровне от 4,5 до 34,7% доли подвижных форм от общего содержания. В результате этого доля проб с превышением ПДК по содержанию подвижного свинца в агротехногениой зоне составила 41%, хотя средний уровень содержания данной формы элемента превысил фоновый в 10 раз.

Содержание кадмия в агротехногениой зоне имеет довольно высокое значение - его среднее содержание по агротехногениой зоне уступает только аналогичному показателю по промыпшенной зоне. При этом данный факт нельзя связать с отдельными аномалиями: уровень вариабельности содержания кадмия в почве этой зоны невелик и колеблется в районе одного ОДК.

б. Содержание тяжелых металлов в почвах агротсхногснной зоны, мг/кг

Фу| жциональные зоны Слой, см М + м гоах rain V,%

Кисл ото раствори мая форма

Свинец 0-5 58,4 + 22,4 259,6 6,У 127,0

5-20 76,9 + 31,2 335,4 9,5 Г~ 134,5

Кадмнй 0-5 0,57 + 0,05 0,87 0,39 27,4

5-20 0,61 + 0,06 0,96 0,39 32,0

Цинк 0-5 33,2 + 7,6 101,0 12,6 76,1

5-20 42,6 ±_11,0 132,6 12,4 85,8

Медь 0-5 6,8 + 1,2 14,47 1,79 60,3

5-20 12,4 + 5,4 64,75 2,54 143,9

Никель 0-5 10,8+ 1,4 17,57 3,69 42,79

5-20 11,5 + 2.0 21,39 4.01 58,48

Хром 0-5 13,0+5,8 69,60 3,13 146,51

5-20 18,3 ± 9,7 113,71 3,02 174,78

Подвижная форма

Свинец 0-5 20,0+11,1 121,0 1.4 184,1

5-20 11,7 ±5,2 50,51 1,2 146,4

Кадмий 0-5 0,28 + 0,02 0,39 0,18 24,7

5-20 0,28 + 0,05 0,61 0,12 54,2

Цинк 0-5 6,2+ 1,9 19,9 0,8 993

5-20 5,1 +2,0 20,2 0,8 128,0

Медь 0-5 3,1± 1,1 12,70 0,58 113,9

5-20 3,4 ± 1,0 5,09 0,50 97,7

Никель 0-5 3,07 + 0,37 5,28 1,37 4036

5-20 2,94 + 0,38 4,49 0,35 42,63

Хром 0-5 1,47 ±0,69 8,00 0,06 155,65

5-20 1,50 ±0,75 8,86 0,27 165,11

Концентрация цинка в агротехногенпой зоне минимальна и коэффициент концентрации элемента здесь в среднем составляет до 2,5 единиц, что на порядок ниже, чем в промышленной зоне, и в 2-3 раза меньше, чем в остальных функциональных зонах заречной части г. И. Новгорода, за исключением территории Стригинского бора. По-видимому, загрязнение почв цинком связано только с промышленными объектами, в то время как земли сельскохо-зяйствеиного назначения за небольшими исключениями расположены на значительном удалении от них.

Аналогичные выводы можно сделать при рассмотрении данных по другим элементам. Концентрация меди в агротсхногенной зоне сопоставима с уровнем содержания элемента в парках и составляет в слое 0-5 см - 6,8 мг/кг, что только в 2 раза выше фона. Превышений нормативов но общему содер-

жанию элемента не выявлено. В то же время здесь имеет место самая большая доля подвижных форм меди — 42,3 и 48,1% в слое 0-5 и 5-20 см соответственно. В связи с этим 27,2% проб не соответствуют су шествующим са-нитарно-гигаени ческим требованиям. Содержание никеля здесь также невелико: коэффициент концентрации в слое 0-20 см составляет 1,7 единиц. В то же время, подвижность элемента довольно высока: 32,6% и 37,9% в слое 0-5 см и 5-20 см соответственно. Здесь средняя концентрация никеля в слое 0-20 см превышает фоновое значение в 7,4 раза, а доля проб, не соответствующих нормативам по подвижным формам составила 18,2%.

Концентрация хрома в почвах сельскохозяйственных земель находится на том же уровне, что и в остальных зонах, за исключением промышленной, что свидетельствует об их незначительном загрязнении.

Оценивая общий уровень загрязнения, можно обратить внимание на более высокий средний уровень содержания металлов в пахотном слое этих почв по сравнению с другими функциональными зонами (кроме промышленной) — суммарный показатель загрязнения (2с) составил 29,2 балла. Это в значительной мере связано с большей концентрацией кадмия, имеющего на исследуемой территории очень низкое фоновое значение. Разброс значений показателя также достаточно велик: от 12,5 до 66,2 баллов, что обусловлено как местными локальными загрязнениями, так и спецификой землепользования в каждом конкретном участке.

На основе вышесказанного можно сделать заюточеш« о достаточно высокой вероятности загрязнения получаемой продукции тяжелыми металлами, наиболее опасными из которых являются свинец и кадмий. Высокая подвижность некоторых элементов позволяет добавить к ним медь и никель.

ВЫВОДЫ

1. Территории с высоким уровнем антропогенной нагрузки характеризуются высоким средним уровнем содержания органического углерода, тяжелых металлов, нейтральной реакцией среды, а также повышенной контрастностью распределения указанных показателей по территории.

2. Максимальный уровень загрязнения почв тяжелыми металлами зафиксирован в промышленной зоне, где суммарный показатель загрязнения в среднем составил 117,9 баллов. В остальных функциональных зонах города (за исключением фонового района) среднее значение показателя находилось в диапазоне 12,9-24,7. Высокая контрастность загрязнения промышленных площадок и других функциональных зон свидетельствует о низкой доле промышленных выбросов автозавода в загрязнении почвенного покрова; анома-

лии металлов формируются за счет попадания в почву компонентов отходов и других локалышх источников за!рязпения.

3. Почвы сельскохозяйственных земель в основном соответствуют санитарно-гигиеническим нормативам но валовому содержанию тяжелых металлов, однако высокая подвижность ряда металлов (свинец, медь, цинк) обуславливает несоответствие нормативам 41% обследованных площадок; наиболее высокий уровень загрязнения отмечен в почвах мелких хозяйств.

4. Выбросы автотранспорта оказывают влияние па содержание металлов в почвах только в местах их резко концентрированно]"© воздействия {автозаправочные станции, дорожные развязки); в остальных случаях концентрация металлов в почвах придорожных полос определяется местным фоном.

5. Приоритетными загрязнителями почв трода являются цинк, медь и свинец, концентрация которых в слое 0-20 см на промышленных площадках варьирует в пределах 3,1-4503,7,10,0-695,4 и 5,7-671,0 мг/кг соответственно.

6. Доля подвижных форм металла от их общего содержания в среднем составила; свинец - 17-32%, кадмий - 50-70%, цинк - 18-36%, медь - 4-11%, никель — 5,1-9,2%, хром - 1-7%; в промышленной зоны подвижность меди, хрома и никеля была существенно выше, чем в других зонах {20, 14 и 14% соответствен но).

7. Изучение состава тяжелых металлов в почвах методом построения корреляционных матриц показало, что в фоновом районе коэффициент корреляции между всеми парами металлов близок к единице; в промышленной зоне имеется тесная связь между кадмием, цинком, медью и никелем, » селитсбно-транснортной выделены ассоциации Ип-Си-Сс!, Zn-ГЬ и Сц-РЬ, в селитебной -гп-С<1 и 2п-РЬ, транспортной - гп-М и 2п-РЬ.

8. В городских почвах ярко выражена тенденция подщелачивання, в среднем значение рН в промышленной, селитебной, селитсбно-транспортной зонах находится на уровне 6,48-7,25, в то время как в фоновом районе значение показателя находится па уровне 3,12-5,17 единиц.

9. Почвы естественных ландшафтов имеют наименьшую устойчивость к кислотному воздействию. Их буферная емкость к лодкислению не превышает 30,6 ммоль Н7кг почв в отличие от почв в районе интенсивного антропогенного воздействия, где данный показатель чаще всего превышает 80 ммоль НГ/кг почв. Устойчивость к щелочному воздействию всех исследованных почв сопоставима. Буферная емкость почв к подкнелению и подщелачива-ник> связана в основном с содержанием гумуса, (ранулометрическим составом и наличием карбонатного мусора.

10. В почвах города наиболее высокое содержание органического углерода имеет место в рекреационной и промышленных зонах (6,4 и 5,0% в слое 05 см соответственно); в остальных зонах показатель находится на уровне 34%.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

В целях ограничения поступления токсичных компонентов отходов в почвы необходимо исключить размещение промышленных отходов, содержащих повышенные концентрации металлов, в пределах городской черты. Свалки и хранилища отходов, сформированные за весь период деятельности предприятий, должны быть переведены на специально оборудованные полигоны, в частности, на полигон промышленных отходов ОАО «ГАЗ», а освобожденная территория должна быть рекультивирована. 1Три использовании отходов, особенно осадков сточных вод, для планирования территории и зеленого строительства (в парковом хозяйстве) необходим более строгий контроль за их химическим составом.

Сельскохозяйственные территории в пределах городской черты являются зонами экологического риска, связанного с возможностью загрязнения растениеводческой продукции тяжелыми металлами, в связи с чем необходим детальный экологический мониторинг этих земель, в первую очередь мелких хозяйств и садов.

В целях предотвращения дегумификации и механической деградации почв необходимо проведение мероприятий по организации территории: соз-даиис и поддержание газонов в придорожных зонах и дворах, создание сети пешеходных дорожек, ликвидация несанкционированных парковок автотранспорта и других мероприятий, направленных на предотвращение вытаптывания и переуплотнения почв.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ V ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1, Смирнова H.A., Дабахов М.В., Устойчивость физико-химических показателей почв промышленного города к техногенному воздействию// Проблемы регионального экологического мониторинга. Матприаяы конференции,- Н. Новгород, 2002.- С. 132-133.

2.. Дабахов М.В., Смирнова H.A. Изменение физико-химических показателей почв промыл те иного города Н Устойчивость почв к естестве! i-• ' ным и антропогенным воздействиям. Тезисы докладов Всероссийской

конференции, 24-25 апреля 2002 г., Москва,- 2002.- СЛ48-149. ' 3. Смирнова H.A., Гогмачадзе Г.Д., Дабахов М.В. Оценка техногенного воздействия на территорию промышленных предприятий и их санитар-но-защитных зон (на примере ОАО «ГАЗ»).- Москва, 2005,- 25 с.

Тир 100 экз.Объем 1п,л. Заказ 187

Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия

603107, г. Нижний Новгород проспект Гагарина, 97 ТипогрофияНГСХА

14 32 О 9