Геохимические особенности ландшафтов г. Ставрополя: На примере распределения тяжелых металлов в почве и растениях

Актуальность исследований. Промышленные города, в число которых входит и г. Ставрополь, являются территориями, наиболее подверженными техногенному воздействию. Важнейшая особенность города — значительное разнообразие и большое количество источников загрязнения. Техногенные потоки вещества в городах чрезвычайно многообразны, характеризуются высокими концентрациями многих химических элементов и соединений. Включаясь в природные циклы миграции, они приводят к загрязнению среды обитания, создающему для населения специфические эколого-геохимические условия, неизвестные до недавнего времени в природе. Несмотря на то, что вопрос о судьбе природных экосистем в условиях городов ставиться уже давно, их загрязнение достигло опасного уровня.

Актуальность темы

определяется необходимостью прикладных исследований, направленных на оценку состояния (качества) окружающей среды, выявление масштабов геохимического преобразования почвенного и растительного компонента городов в связи с деятельностью человека, на использование полученных материалов в практических целях, на разработку рекомендаций по снижению негативных последствий техногенной деятельности. Сохранение оптимальных экологических характеристик окружающей среды в городеважная задача природопользования, связанная с комфортностью обитания и здоровьем населения. Эффективное решение этой задачи невозможно без осуществления геохимических исследований городских ландшафтов.

В последние годы анализу эколого-геохимической ситуации урбанизированных территорий посвящены многочисленные отечественные и зарубежные исследования. Выполнены эколого-геохимические оценки их состояния, проведено картографирование распределения отдельных загрязнителей, выявлены приоритетные техногенные источники загрязнения и поллютанты (А.И.Перельман, Н. С. Касимов, Ю. Е. Сает, Б. А. Ревич, Е. П. Янин, А. Н. Геннадиев, О. В. Моисеенков, Е. М. Никифорова, В. В. Приваленко,.

В.Е.Закруткин, А. Д. Хованский, Л. Я. Кизильштейн, В. А. Алексеенко и др.). Сочетание системной методологии геохимии ландшафтов и индикационно-оценочных подходов геохимии окружающей среды привело к становлению нового научного направления — экогеохимии городских ландшафтов (Касимов, 1995). Как отмечает Е. П. Янин (1999), к настоящему времени основные методические принципы и общая технология эколого-геохимических исследований городов (в первую очередь прикладных) разработаны достаточно детально. В значительной степени они основаны на изучении геохимических аномалий в различных компонентах городских ландшафтов (Сает и др., 1990). Контрастность и пространственное положение этих аномалий зависит от функциональной структуры города, определяющей характер и уровень техногенного воздействия на среду, и ландшафтно-геохимических условий, дифференцирующих это воздействие.

По мнению объединенной группы экспертов ООН по научным аспектам загрязнения, с экологических позиций наибольшую потенциальную опасность в региональном масштабе представляют собой тяжелые металлы (т.е. металлы с плотностью более 5 г/м3). Для тяжелых металлов (ТМ), накапливающихся в среде обитания и отличающихся высокой токсичностью, прямая детоксикация (самоочищение) в принципе практически невозможна. Среди ТМ многие являются необходимыми компонентами биокатализаторов и биорегуляторов важнейших физиологических процессов. Однако избыточное содержание ТМ в различных компонентах ландшафтов оказывает угнетающее и даже токсичное действие на живые организмы. Большая часть ТМ закрепляется в гумусовых горизонтах почв, поэтому педогеохимическое картографирование является одним из адекватных методов оценки загрязнения городской среды ТМ. Эти факторы, а также относительная легкость определения концентраций ТМ атомно-абсорбционным методом способствовали выбору ТМ в качестве геохимического индикатора экологического состояния городских ландшафтов.

Сравнительная оценка уровней содержания химических элементов в различных компонентах окружающей среды обычно осуществляется путем сопоставления их с нормативными параметрами состояния окружающей среды (ПДК, ОДК и т. п.). В данной работе в качестве нормативных величин используются фоновые уровни ТМ. Фоновым содержанием тяжелых металлов являются средние концентрации этих элементов в пределах участка с естественными природными параметрами распределения химических элементов. Выбор фоновых территорий учитывал соответствие ландшафтно-геохимических условий города Ставрополя и фонового участка, его удаленности от зоны влияния промышленного и сельскохозяйственного загрязнения.

Цели и задачи исследования. Цель работы — изучение особенностей распределения тяжелых металлов в почвах и растениях городских ландшафтов, выявление степени техногенного загрязнения.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

— выполнить ландшафтно-функциональное зонирование территории города Ставрополя;

— рассмотреть различные факторы формирования геохимических особенностей ландшафтов г. Ставрополяохарактеризовать современное состояние и степень геохимической изученности территории города;

— получить информацию о природном геохимическом фоне города Ставрополя;

— провести анализ распределения тяжелых металлов (ТМ) в почвах городских ландшафтовоценить степень загрязнения ТМ почвенного и растительного покрова города, провести эколого-геохимическое картографирование;

— выявить связи показателей заболеваемости населения г. Ставрополя с химическим загрязнением почвопределить пути оптимизации окружающей среды города Ставрополя.

Научная новизна:

1. Впервые проведено ландшафтно-функциональное районирование при изучении геохимических особенностей ландшафтов г. Ставрополя;

2. Определено содержание тяжелых металлов в почвах природного фонового участка, наиболее близкого по ландшафтообразующим параметрам территории г. Ставрополя;

3. Методом атомно-абсорбционного анализа получены статистически достоверные данные о содержании кислоторастворимых форм ТМ (свинца, меди, никеля, марганца, хрома, кобальта, цинка, кадмия) в почвенном и растительном покрове территории города. Дана оценка интенсивности радиальной и латеральной миграции химических элементов в ландшафтно-геохимической системе г. Ставрополя;

4. Определена степень накопления химических элементов по сравнению с природным фоном. На основании значений суммарного показателя загрязнения Zc определен общий уровень загрязнения почв города;

6. Выявлено содержание тяжелых металлов в растениях и овощной продукции на территории городарассмотрены вопросы корреляции между содержанием элементов в почвах и растениях;

7. Проведено сопоставление показателей заболеваемости детского и взрослого населения г. Ставрополя с загрязнением почвенного покрова города.

В качестве объекта исследования выбрана территория Ставрополя, имеющего сложную структуру интегрального воздействия природных и техногенных потоков вещества, определяющих геохимические особенности. Город Ставрополь — один из крупных промышленных, научно-технических и культурных центров Северо-Кавказского экономического района с населением 340 тыс. человек и сложной экологической обстановкой. Ставрополь включен правительством России в число 115 исторических городов.

Предметом изучения является содержание тяжелых металлов в почвах и растениях городских ландшафтов. Техногенное воздействие в городе обуславливает широкий спектр загрязнителей, среди которых тяжелые металлы занимают одно из ведущих мест. Поставка ТМ в городскую среду происходит в результате технологических процессов практически всех отраслей промышленности: машиностроения, стройиндустрии, радиотехники, полиграфии и т. д. Экономический спад производства в последние годы компенсируется резким увеличением выбросов автотранспорта. Изучение процессов техногенной трансформации окружающей среды в городе представляется необходимым и своевременным.

Работа имеет практическую направленность. Уровни содержания тяжелых металлов в почвах и растениях городской территории дают представление об общей экологической ситуации в городе. Полученные материалы предоставляют возможность природоохранным организациям определить общие тенденции и динамику изменения окружающей среды в городе, наметить мероприятия по оздоровлению обстановки и проведению природоохранных мероприятий. Данные можно использовать для пополнения информационной базы по экологии городской территории. Материал применяется в преподавании ряда дисциплин на географическом факультете СГУ.

При выполнении работы были использованы следующие научные методы: теоретического поиска, сравнительно-исторического анализа, сопряженного геохимического анализа, ландшафтного картографирования, функционального зонирования, статистической обработки геохимических данных и др. Использованы методические принципы эколого-геохимических исследований городов, разработанные Н. С. Касимовым и А. И. Перельманом (1995, 1999).

Фактический материал был собран автором во время обучения в магистратуре (1995;1997гг.) и в аспирантуре Ставропольского государственного университета (1999;2002гг.). За время полевых работ были отобраны литои биогеохимические пробы для атомно-абсорбционного анализа на содержание тяжелых металлов. Анализ проводился в аналитической лаборатории Феде1-рального учреждения государственного центра агрохимической службы «Ставропольский» (ФГУ ГЦАС «Ставропольский»),.

В качестве источников информации использовались данные экологического паспорта города, комитета охраны природы, серии карт загрязнения почв, выполненные ЦГСЭ «Севкавгеология», СКФ ПНИИИС, научные статьи, монографии по исследуемой проблеме и т. д.

На защипу выносятся следующие материалы и положения:

— ландшафтно-функциональная структура территории Ставрополя определяет особенности пространственного распределения тяжелых металлов;

— уровни содержаний тяжелых металлов в пределах территории, наиболее близкой по ландшафтообразующим параметрам территории г. Ставрополя, определены как природные фоновые;

— приоритетными загрязнителями почв Ставрополя являются кадмий, свинец, цинк, медь и кобальт. Почвы города имеют в основном слабый и средний, умеренно опасный уровень загрязненияв эпицентрах аномальных зон загрязнение достигает высокого опасного уровня (Zc= 32−56);

— техногенные аномалии ТМ в растениях менее контрастны, чем в почвахвсе изученные виды растений наиболее интенсивно загрязнены свинцом;

— установлены общие тенденции положительной корреляции загрязнения почвенного покрова города и состояния здоровья городских жителей.

Апробация работы и публикации. Основные положения работы были представлены дважды на Всероссийской школе молодых ученых «Геоэкология на современном этапе» (г.Аксай, Ростовская обл., 2000, 2001), на второй Международной научной конференции «Эволюция и деградация почвенного покрова» (Ставрополь, 2002), на научных конференциях «Университетская наука — региону» (Ставрополь, 1997, 2000,2001,2002), краевой научно-практической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Молодежь и наука IIT тысячелетия» (Ставрополь, 2001), Всероссийской научной конференции «Современная биогеография на рубеже XXI века» (Москва — Ставрополь, 2000), на Всероссийской научно-практической конференции, посвященной памяти П.П.Семенова-Тян-Шанского (Липецк, 2002). По теме диссертации опубликовано 8 работ и 1 в печати.

Заключение

.

В ходе исследований получены следующие результаты:

1. Установлено природное содержание тяжелых металлов в пределах северо-восточных склонов г. Стрижамент, наиболее близких по ландшафтооб-разующим параметрам территории г. Ставрополя.

2. Проведено выделение ландшафтно-функциональных комплексов, представляющих техногенные модификации элементарных ландшафтов. Всего выделено 21 комплекс, позволившие наиболее полно учесть и природные и техногенные факторы формирования геохимических особенностей территории города.

3. Проведенное регулярное сетевое опробование территории города позволило получить и статистически обработать массивы показателей содержания кислоторастворимых форм ТМ в верхнем горизонте почв. Анализ распределения ТМ по функциональным зонам города позволил говорить о зависимости содержания элементов от типа антропогенного воздействия и приоритетности того или другого источника в общее поступление металлов в почвы города. Так, кобальта больше всего обнаружено в промышленной зоне (т.е. элемент поступает в почву с промышленными выбросами). Самые высокие содержания хрома приурочены к дачным участкам. С историческим центром города связаны самые высокие содержания цинка, никеля, свинца и меди (т.е. наличие временного кумулятивного эффекта).

4. Выявлена дифференциация в содержании элементов в почвах в зависимости от типа селитебной застройки. Почвы селитебной многоэтажной зоны содержат больше меди, кобальта, свинца и никеля, чем почвы селитебной коттеджной зоны. Для цинка более высокие значения зарегистрированы в селитебной зоне частной застройки.

5. Выявлена зависимость содержания ТМ в почвах города от химической неоднородности почвообразующих пород. Почвы, сформированные на сарматских глинах, содержат больше кобальта, цинка, меди и никеля, чем почвы на элювии плотных пород. В то же время для марганца обнаружена обратная закономерность.

6. В профиле городских урбанизированных почв наиболее высокие уровни как типичных биофилов (марганца, цинка, меди), так и технофилов (свинца) характерны для верхних горизонтов. Установлены максимальные значения коэффициентов радиальной миграции для свинца (13,9), никеля, марганца, меди (5,4−5,9), цинка, кадмия (4,02−4,1), кобальта (2,3), хрома (2,7). В подчиненных аккумулятивных ландшафтах отмечается накопление ряда ТМ не только в гумусово-аккумулятивном, но и в нижележащих горизонтах почвенного профиля. Морфологически близкие почвы отличаются по содержанию ТМ в связи со степенью удаленности от источника загрязнения.

7. Особенностью латеральной миграции в целом для почв г. Ставрополя является ее слабая интенсивность. На это указывает размах колебаний значений коэффициента радиальной миграции — от 0,6 до 1,8. По убыванию степени интенсивности латеральной миграции элементы располагаются в следующий ряд: Pb>Zn>Cu>Cr>Ni>Co>Cd>Mn. Для большинства рассматриваемых элементов (кобальта, никеля, кадмия, марганца, меди) ландшафтно-геохимическая система г. Ставрополя является транзитной. При этом вынос тяжелых металлов идет как за пределы данной системы (т.е. города), так и в более глубокие почвенные горизонты.

8. Установлены положительные техногенные аномалии в почвах свинца, кадмия, никеля, кобальта, цинка, меди, и отрицательные аномалии марганца и, в меньшей степени, хрома. Для аномалий хрома и кобальта выявлена слабая контрастность и точечный характер. Максимальное загрязнение почв никелем приурочено к автономным позициям плакора, откуда идет распространение элемента вниз по склонам. Выявлено свинцовое и кадмиевое загрязнение практически всей территории города. Аномалии цинка приурочены большей частью к подчиненным ландшафтам. Формы аномалий кобальта, хрома и меди в верхнем горизонте почв являются несколько вытянутыми по направлению основных миграционных потоков и преобладающих ветров. В среднем по городу валовые содержания изученных металлов в почвах г. Ставрополя превышают содержание в фоновых районах: кадмия — вЗ, 5 раз, свинца — в 3,3 раза, цинка, меди и кобальта — в 2,6, никеля — в 2,4 раза, хромав 1,4.

9. Результаты исследований показывают, что почвы г. Ставрополя имеют в основном слабый и средний, умеренно опасный уровень загрязнения тяжелыми металлами, но в эпицентрах аномальных зон загрязнение достигает высокого опасного уровня (Zc=32−56). Доля кадмия и свинца составляет 6070% в суммарных показателях загрязнения, что, учитывая токсичность этих элементов, усиливает экологическую опасность установленных уровней загрязнения. Высокие уровни загрязнения почв установлены в северо-западном районе г. Ставрополя и приурочены к промышленной зоне автономных элювиальных ландшафтов. Второе обширное пятно высокого уровня загрязнения почв находиться в центре города в пределах селитебной зоны трансэлювиальных ландшафтов склонов структурно-денудационных плато. Аномалии среднего, умеренно опасного уровня загрязнения носят площадной характер и характерны для всех родов ландшафтов.

По значениям показателя суммарного загрязнения почв трансаккумулятивные ландшафты являются самыми загрязненными. На участках трансэлювиальных ландшафтов склонов речных долин аномалии среднего уровня приурочены к селитебной зоне. Для большей части территории города характерно слабое, не опасное загрязнение почв тяжелыми металлами (Zc= 816). Данный уровень установлен в лесопарковой, степной и селитебной зоне частной застройки автономных ландшафтов, в селитебной и лесопарковой зонах склонов структурно-денудационных плато, в селитебной, лесопарковой, дачной и степной зонах трансаккумулятивных ландшафтов.

Обнаруженные минимальные уровни загрязнения (Zc<8) приурочены большей частью к автономным ландшафтам (лесопарковая и дачная зоны).

По соотношению коэффициента эмиссии Е (0,07 т/чел год) и суммарного показателя загрязнения почв и растений металлами по геохимической классификации городов (Касимов, Перельман, 1993) г. Ставрополь относится к разрядам L1 и L2 с низким и средним, умеренно опасным уровням загрязнения. Уровень техногенного воздействия 1−6 баллов.

10. Наряду с почвами, растения города накапливав ряд токсичных элементов, при этом изученные растения по разному реагируют на одинаковые дозы поступления ТМ. Наиболее выраженным индикатором загрязнения в условиях оказался мох Pleurosium schreberi. Техногенные аномалии ТМ в растениях менее контрастны, чем в почвахвсе изученные растения наиболее интенсивно загрязнены свинцом. Содержание тяжелых металлов в растениях не всегда коррелирует с содержанием в почвах, на которых они произрастают. Средние коэффициенты техногенной концентрации (Кс) тяжелых металлов в овощах в октябре 1999 г. составляли Zn2j Cu19 Cd15 Pb], 4. Это указывает на цинк-медь-кадмиевое загрязнение овощей, соответствующее приоритетным загрязнителям почвенного покрова города. Были рассчитаны коэффициенты биологического поглощения элементов различными растениями, которые позволяют судить о подвижности ТМ в почве. В целом для всех изученных растений характерна наибольшая интенсивность усвоения из почвы кадмия и цинка.

11. Ландшафтно-геохимические особенности г. Ставрополя определяются расположением в верхней части каскадной ландшафтно-геохимической системы второго порядка (бассейн р. Улы) и здесь достаточно сильны кате-нарные связи, существующие между элементарными ландшафтами. Направление преобладающих ветров (западных и северо-западных) совпадает с основным направлением движения миграционных потоков. В целом природная ландшафтно-геохимическая обстановка в городе благоприятствует природному самоочищению городской территории от токсикантов.

12. Сопоставляя данные техногенного загрязнения почв с заболеваемостью населения города, следует отметить, что прослеживается косвенная связь между заболеваемостью и повышенным содержанием тяжелых металлов в почве. Наибольшее количество корреляционных зависимостей выявлено по заболеваемости органов дыхания как взрослого, так и детского населения города.

13. Значительный потенциал самоочищения для окружающей среды всего города заключается в лесных и лесопарковых массивах, т.к. настоящие исследования не выявили какого-либо значительного уровня загрязнения почв и растений лесопарковой зоны города. Мы полностью согласны с Л.А.Гречушкиной-Сухоруковой, В. Н. Белоусом и Т. Н. Исаенко (1998), что тенденцией современного лесопользования в городе должны стать: 1 Оптимизация рекреационной нагрузки- 2) определение и соблюдение зоны заповедного, умеренного, регулируемого и хозяйственного использования лесов- 3) пересмотр категории лесных насаждений, подлежащих рубкам ухода и условно-сплошным рубкам- 4) не вовлечение в оборот рубок дубовых лесов- 5Соотношение вырубки и восстановления в пользу последнего- 6) дальнейший мониторинг за состоянием городских лесов.

Для оздоровления состояния окружающей ' среды города Ставрополя можно рекомендовать ряд мероприятий:

— увеличить площадь озелененных территорий;

— разгрузить ряд напряженных транспортных магистралей (ул. Ленина, ул. Доваторвцев), экологизировать все виды производства и транспорт;

— прекратить дальнейшее строительство на участках с высокой плотностью застройки;

— проводить рекультивацию и санацию почв;

— создать надежную современную, систему очистных сооружений;

— учитывать ландшафтно-геохимическую ситуацию при размещении промышленных объектов. Основное внимание должно быть уделено оптимизации деятельности крупных промышленных предприятий (ООО «Лисма-Люминофор», ОАО «Оптрон», АООТ «Нептун», ОАО «з-д электроматериа.