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, 2012 г.), на 11 Всероссийской выставке Научно-технического творчества молодежи на ВВЦ (Москва, 2011 г.).

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.

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, ипокровные 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.