Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика ландшафтных особенностей формирования почвенного покрова степной зоны Южного Урала 13
1.1 Географическое расположение и физико-географическое районирование района исследований 13
1.2 Восточно-Европейская равнина 16
1.3 Уральская горная страна 24
1.4 Тургайская столовая страна 30
Глава 2. Методические основы эколого-геохимических исследований почв 32
2.1 Методология формирования сети почв-эталонов при организации и проведении экологического мониторинга 32
2.2 Методика почвенно-геохимических исследований и применение данных в почвенном мониторинге 36
Глава 3. Эколого-геохимические особенности эталонных почв Красной книги почв Оренбургской области 47
Глава 4. Геохимическое состояние почвообразующих пород и почв степной зоны Южного Урала 57
4.1 Содержание подвижных форм тяжелых металлов в основных почвообразующих породах 57
4.2 Распределение подвижных форм тяжелых металлов по ландшафтно-типологическим комплексам 62
4.3 Геохимическое состояние почвенного покрова 64
4.4 Фоновые значения геохимического состояния почв и почвообразующих пород 72
Глава 5. Экологическая оценка геохимического состояния техногенно-загрязненных почв 79
5.1 Эколого-геохимическая оценка почвенного покрова территории Оренбургского газохимического комплекса 83
5.1.1 Экологическая характеристика состояния природных сред 83
5.1.2 Содержание валовых форм тяжелых металлов в почвах 88
5.1.3 Подвижные формы тяжелых металлов в почвенном покрове 94
5.2 Эколого-геохимическое состояние почвенного покрова города Оренбурга 101
5.2.1 Характеристика экологического состояния природных сред города Оренбурга 101
5.2.2 Валовое содержание тяжелых металлов в почвах города Оренбурга 107
5.2.3 Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах города Оренбурга 112
5.3 Характеристика загрязнения тяжелыми металлами сопредельных сред и приемы детоксикации избыточных количеств тяжелых металлов в почвах 117
Заключение 121
Список использованных источников 124
Приложения 145
- Восточно-Европейская равнина
- Методика почвенно-геохимических исследований и применение данных в почвенном мониторинге
- Распределение подвижных форм тяжелых металлов по ландшафтно-типологическим комплексам
- Эколого-геохимическое состояние почвенного покрова города Оренбурга
Введение к работе
Почва - сложный биокосный многофункциональный блок биосферы, объединяющий в единое целое «мертвую материю» (горные породы и минералы) и «живую природу» (микро- и макроорганизмы и растения). Специфика почвы состоит в том, что она по сравнению с атмо-, гидро- и биосферой более устойчива и обладает свойствами рефлекторности (реакции на воздействие) и сен-сорности (функционально-структурно-вещественного «наследования» результатов реакции). Почвенная биогеосистема, образованная процессами геологического и биохимического круговоротов, предопределяет условия для функционирования целостного, взаимозависимого сообщества организмов (биоценоза). Определяющим фактором образования и развития почв является «живое вещество», в результате жизнедеятельности которого формируется специфический органический полимер - гумус. Все эколого-функциональные свойства почв находятся в прямой зависимости от его количественно-качественных особенностей.
На современном уровне экономического развития загрязнение биосферы в целом, и почв в частности, отходами, выбросами и сточными водами всех видов промышленного производства, сельского хозяйства, коммунального хозяйства городов приобрело глобальный характер и вызывает серьезную тревогу в связи с резким ухудшением эколого-геохимического состояния почв - основного компонента природной среды и негативным воздействием на здоровье людей (Ковда, 1985; Диксон и др., 2000; Орлов, Садовникова, Лозановская, 2002). Особое значение приобрело загрязнение биосферы группой поллютан-тов, получивших общее название «тяжелые металлы» (ТМ). К ним относят более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева с атомными массами свыше 50 а.е.м. Низкие концентрации этих химических элементов (порядка п10~2 - п-10"5%) необходимы для жизнедеятельности растительных и животных организмов, активно участвуя в биологических процессах в составе биокатализаторов и биорегуляторов (Диксон, Уэбб, 1961). К числу тяжелых металлов относят - хром (Сг), марганец (Мп), железо (Fe), кобальт
5 (Со), никель (Ni), медь (Си), цинк (Zn), галлий (Ga), германий (Ge), молибден (Mo), кадмий (Cd), олово (Sn), сурьму (Sb), теллур (Те), вольфрам (W), ртуть (Hg), таллий (ТІ), свинец (РЬ), висмут (Bi) (Assink, 1986).
Факторами, определяющими техногенное накопление тяжелых металлов в почвах, являются: пыль, атмосферные осадки и поливные воды. Кроме того, источником загрязнения биогеоценозов могут служить: внесение в качестве удобрения осадков бытовых сточных вод, вторичное загрязнение вследствие выноса ТМ из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками (Блохин, 1997; Орлов, Садовникова, Лозановская, 2002). Носителем основной массы ТМ в атмосфере являются аэрозоли - твердые частицы, размером до 0,1 мкм и менее, взвешенные в воздухе, которые конденсируют пары воды. Частицы крупнее 10 мкм, попавшие в атмосферу, быстро осаждаются. До 80-90% химических элементов, содержащихся в аэрозолях, связано с частицами размером около 1 мкм. «Время жизни» частиц в атмосфере около 5-7 суток, а наиболее мелких частиц 3-4 недели и более (Аб-рамовский, 1976). Частицы переносятся на значительные расстояния и выпадают из атмосферы неравномерно («эффект пилы») в зависимости от рельефа, типа растительности, движения приземных воздушных масс (Александрова, 1980; Алексеенко, 1990).
Повышенные и высокие концентрации тяжелых металлов вызывают резко негативные функционально-экологические изменения в компонентах природной среды:
снижение биоразнообразия естественных экосистем и биопродуктивности агроценозов, включая негативные последствия для высших растений, в т.ч. древесной растительности. Замедление роста и развития корневой системы и побегов (симптомы токсикоза). Повышение концентрации крахмала и Сахаров, снижение содержания питательных веществ в тканях листьев (физиологические симптомы), уменьшение активности энзимов (биохимические симптомы) (Ильин, 1985 а, 1991; Bahlsberg-Pahlsson, 1989; Феник, Трофимяк, Блюм, 1995; Рябинина, 1997; Чернавская, Плескачева, Рудяк и
6 др., 1999; Калиев, 2002; Копцик, Налбандян, 2002; Янчук, 2002; Пашкевич, Понурова, 2003; Халитов, 2003; Черных, Челтымгашева, Баева, 2003; Ше-мет, Феденко, 2003);
уменьшение видового разнообразия и численности почвенных микроорганизмов и почвенной фауны (особенно беспозвоночных), к функциям которых относятся процессы деструкции. Отмечается негативное влияние на микробные процессы, отвечающие за синтез и активность энзимов, разложение подстилки (связанное с минерализацией азота и углерода), и дыхание почвы, что обусловливает уменьшение биомассы и видового разнообразия (Бабьева, Левин, Решетова, 1980; Умаров, Азиев, 1980; Левин, Гузев, Асеева и др., 1989; Федоров, Шахов, 1996; Колесников, 1998; Колесников, Казе-ев, Вальков, 1999; Лозовицкий, Каленюк, 2002; Груздева, Матвеева, Коваленко, 2003; Убугунов, 2003);
изменение консервативных свойств почв (уменьшение скорости разложения органического вещества, изменение структуры и рН, диспергирование, уплотнение твердой фазы почвы, изменение количественно-качественного состава ППК, изменение химических и агрохимических свойств и др.), что в конечном итоге приведет к частичной или полной потере плодородия (Белякова, Гусейнов, 1984; Важенина, Сорокин, 1987; Гришина, Копцик, Макарова, 1990; Шишов и др., 1991; Водяницкий и др., 1995; Водяницкий, Рогова, 1996; Давыдова, 1996; Белозерцева, 2001; Карандеев, Шульгин, 2001; Рыбалов, 2001; Блохин, Грошев, 2002 а; Макунина, 2002; Переверзев, Свей-струп, Стрелкова, 2002);
уменьшение видового разнообразия и популяционные изменения наземной фауны (Мордкович и др., 1997; Ковальчук, Сатонкина, Тарханова, 2002);
ухудшение состояния здоровья населения, потребляющего загрязненную продукцию и воду, а также негативное влияние на состояние здоровья последующих поколений. Ряд элементов (никель, хром, кадмий, свинец) обладает прямыми или косвенными канцерогенными свойствами, а также вызывает аллергические патологии. Избыток тяжелых металлов неблагопри-
7 ятно влияет на все жизненно важные органы человека, а токсическое действие свинца, кадмия и ртути характеризуется кумулятивным эффектом (Voisin, 1959; Ковальский, 1974; Сает, Ревич, 1988; Tomatis L., 1990; Зарид-зе, 1993; Худолей, 1999; Лебедева, 1995; Куксанов, 1999; Комплексная гигиеническая оценка состояния..., 2000; Комплексная гигиеническая оценка опасности..., 2001; Боев, Куксанов, Быстрых, 2002; Куксанов, Баженова, 2002 а, б). Почвы, являясь связующим звеном компонентов биосферы, поглощают тяжелые металлы, одновременно очищают от них атмо- и гидросферы. При превышении пороговых значений концентраций тяжелых металлов, при которых способность к самоочищению будет потеряна, почвы могут стать источником вторичного загрязнения воздуха, растений, а также поверхностных и фунтовых вод (Плеханова, 2000; Большаков, 2002).
Основу геохимической устойчивости почвенной экосистемы как элемента структуры и функционирования биосферы составляют природные биогеохимические циклы массообмена вещества и энергии (Ильин, 1973; Ковда, 1973, 1981). В регионах с высоким уровнем сельскохозяйственного освоения земель (земли сельскохозяйственного назначения составляют 88%, и в частности пашни 57%) и развитой нефтегазовой и рудодобывающей промышленностью, к которым относится Оренбургская область, происходят необратимые изменения направления и интенсивности природной миграции химических элементов. Биогеохимические циклы круговорота веществ и энергии нарушаются из-за отчуждения сельскохозяйственной продукции и потери органического вещества вследствие длительного экстенсивного ведения сельскохозяйственного производства и нерационального использования земель (высокая доля пашни, распашка склоновых земель и почв легкого механического состава, несоблюдение ресурсосберегающих технологий, бессистемный выпас скота и др.). Современные технологии возделывания сельскохозяйственных культур приводят к дегумификации, переуплотнению, нарушению водно-физических свойств и способствуют развитию эрозии и дефляции (Климентьев, Тихонов, 1994; Руса-
8 нов, 1995; Климентьев, Блохин, 1996; Климентьев, 1997), что, безусловно, негативно сказывается на геохимическом состоянии почвенного покрова и био-проду ктивности.
Значительные изменения эколого-геохимического состояния почв в основном определяются техногенезом. Оренбургская область - одна из крупнейших областей в Российской Федерации, обладающая достаточно развитыми многоотраслевой промышленностью и топливно-энергетическим комплексом. Среднегодовые валовые выбросы в атмосферу загрязняющих веществ промышленными предприятиями области за период с 1990 по 2001 годы колеблются в пределах - 1402-560 тыс. т химических веществ в год, в т.ч. сернистого ангидрида - 390-131 тыс. т/год, углеводородов - 91-51 тыс. т/год, окиси углерода - 356-126 тыс. т/год, окисей азота - 79-44 тыс. т/год (Баженова, 2000; Государственный доклад..., 2002). Выбросы тяжелых металлов, обладающих канцерогенным действием (по классификации МАИР), составляют: никеля -228,4 т, хрома -2,4 т, мышьяка - 10,4 т, кадмия - 0,04 т (Куксанов, Баженова, 2002 а). В водные источники области ежегодно сбрасывается около 1,8 млн м3 стоков, 10% которых - неочищенные. Загрязняют почву и промышленные отходы (1,3 млрд т.), твердые бытовые отходы (13,2 млн т.), сельскохозяйственные отходы (4,5 млн т.), 182 млн т. из них токсичные (Куксанов, Куксанова, Герценштейн, Шагивалеева, 2000). Геохимические исследования содержания тяжелых металлов в почве показали, что интенсивное загрязнение земель наблюдается не только на территории промышленных предприятий, но и на площадях, занятых посевами сельскохозяйственных культур, в жилом секторе промышленных городов (Государственный доклад ..., 2002).
Неуклонный рост заболеваемости и смертности населения в Оренбургской области ряд исследователей (Боев, Сетко, Куксанов, 1994; Лебедева, 1995; Куксанов, 1999; Боев, Куксанов, Быстрых, 2002) напрямую связывают с загрязнением природной среды тяжелыми металлами. Так, корреляционная связь (более 95%) была установлена между содержанием меди, цинка, свинца
и распространенностью злокачественных новообразований и смертностью от них (Боев, Куксанов, Быстрых, 2002; Куксанов, Баженова, 2002 а, б).
В настоящее время проблема эколого-геохимического состояния почв степных ландшафтов вызывает необходимость расширения и углубления исследований в рамках специализированного эколого-геохимического мониторинга с целью своевременной и объективной оценки экологического состояния, разработки рекомендаций по обеспечению экологической безопасности и снижению геохимического риска. Основные усилия данного исследования направлены на определение фонового содержания в почвах и породах, дифференциации по элементам ландшафтно-типологического комплекса, степени интенсивности проявления техногенеза с учетом ландшафтных особенностей зоны Южного Урала.
Цель работы заключается в изучении основных закономерностей современного эколого-геохимического состояния естественных и техногенных почв степной зоны Южного Урала.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:
проанализированы и систематизированы материалы пространственного распределения тяжелых металлов (цинка, меди, свинца, кадмия, никеля, хрома) в почвенном покрове степи;
изучено влияние факторов почвообразования (рельефа и почвообразую-щих пород) на геохимическое состояние почв;
определены фоновые показатели содержания тяжелых металлов в почво-образующих породах и почвах;
выявлены общие закономерности миграции, рассеяния и аккумуляции тяжелых металлов в естественных и антропогенно-нарушенных почвах Восточно-Европейской равнины и Уральской горной страны (в пределах Оренбургской области);
оценено эколого-геохимического состояния почв в районах техногенных аномалий (на примере Оренбургского газохимического комплекса);
охарактеризовано загрязнение почвенного покрова тяжелыми металлами городских территорий (на примере г.Оренбурга).
Объектом изучения послужила геохимия почв и почвообразующих пород, в частности содержание тяжелых металлов (цинка, меди, кадмия, свинца, никеля и хрома) в природных ландшафтах степной зоны (в пределах Оренбургской области), а также почвенного покрова территорий, подверженных влиянию выбросов крупных промышленных предприятий (на примере Оренбургского газохимического комплекса) и почвенных экосистем городских агломераций (г.Оренбург).
Научная новизна работы заключается в следующем:
осуществлена эколого-геохимическая оценка состояния почв природных ландшафтов (подвижные формы тяжелых металлов) и антропогенно-нарушенных ландшафтов (валовые и подвижные формы);
установлен геохимический фон химических элементов, обоснованный методами вариационной статистики, с последующим использованием данных в государственном эколого-геохимическом мониторинге почвенно-биологических ресурсов;
дана характеристика эколого-геохимического состояния подвижных форм тяжелых металлов по типам местности степной зоны Южного Урала;
- определены ареалы пространственного распределения тяжелых металлов
и интенсивность процесса накопления химических элементов в техноген
ных ландшафтах.
Практическая значимость работы. Результаты научно-исследовательской работы являются обоснованием природоохранных мероприятий в рамках федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России» на 2002-2010 гг. применительно к Оренбургской области. Основные положения диссертации реализуются в работах по экологическому
11 мониторингу Оренбургской области, проводимых региональным центром экологического мониторинга (РЦЭМ).
Результаты исследований используются в проектных работах, выполняемых Оренбургским землеустроительным предприятием, при реализации областных программ мониторинга почв и земель: «Мониторинг земель Оренбургской области на 1993-2000 годы» и «Экологический мониторинг земель Оренбургской области на 2001-2005 годы».
Материалы научно-исследовательской работы используются при чтении цикла лекций по курсам «Почвоведение», «Экология» и «Геоэкология» в Оренбургском государственном аграрном университете. В дальнейшем могут быть использованы при разработке учебных пособий и лекционных курсов «Ландшафтоведение» и «Геохимия ландшафтов» для естественно-географических и экологических специальностей высших учебных заведений.
Защищаемые положения:
выявленная неоднородность пространственного распределения тяжелых металлов в почвах зависит от ландшафтного строения степной зоны Южного Урала и определяется строением и свойствами абиотической (почвообра-зующими породами и геоморфологическим строением) и биотической (растительность) составляющими ландшафта;
данные содержания тяжелых металлов в почвах-эталонах являются основой фоновых показателей эколого-геохимического состояния почвенного покрова степной зоны Южного Урала;
установлена связь содержания тяжелых металлов в составе выбросов предприятий газодобывающей и газоперерабатывающей промышленности с процессами загрязнения почвенного покрова (слабая и средняя степень -валовые формы, средняя и сильная степень - подвижные формы), вызывающая образование аномалии техногенного характера и отрицательно влияющая на биоресурсный потенциал территории;
проведена оценка эколого-геохимического состояния почв на территории города Оренбурга, характеризующаяся как опасная и чрезвычайно-опасная
12 и определяющаяся высокими концентрациями тяжелых металлов (особенно цинка, меди, свинца, кадмия - подвижные формы; никеля и хрома - валовые формы). Апробация работы и публикации
Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях и симпозиумах: региональных конференциях молодых ученых и специалистов (Оренбург, 1996-2000); научно-практической конференции «Сертификация и управление качеством экосистем на Южном Урале» (Оренбург, 1997), научно-практической конференции «Структура, функционирование, эволюция природных и антропогенных ландшафтов» (Москва-Санкт-Петербург, 1997), международной студенческой конференции «Кризис почвенных ресурсов: причины и следствия» (Санкт-Петербург, 1997), научно-практической конференции «Оптимизация природопользования и охрана окружающей среды Южно-Уральского региона» (Оренбург, 1998); международных симпозиумах «Степи Северной Евразии» (Оренбург, 1997, 2000, 2003), всероссийской научно-практической конференции «Среда обитания и здоровье населения» (Оренбург, 2001), международной научно-практической конференции «Проблемы регионального управления рисками на объектах агропромышленного комплекса» (Оренбург, 2002).
Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям - доктору сельскохозяйственных наук А.И. Климентьеву и профессору Е.В. Блохи-ну, а также директору Института степи Уральского отделения РАН, члену-корреспонденту РАН А.А. Чибилеву и коллективу Института за содействие в подготовке диссертации. Автор выражает глубокую признательность председателю комитета по природоохранной деятельности и мониторингу окружающей среды администрации Оренбургской области, доктору медицинских наук В.Ф. Куксанову и коллективу комитета за содействие и помощь в вопросах методологии, оформлении и апробации работы.
Восточно-Европейская равнина
Юго-восточная часть Восточно-Европейской равнины (в пределах области) характеризуется доминированием геоморфологического фактора в процессе образования почв. Рельеф платформенной части Оренбургской области формировался под влиянием нескольких циклов интенсивной денудации преимущественно в условиях континентального климата и положительных эпей-рогенических движений в течение палеозоя, мезозоя и кайнозоя, обусловив тем самым высокую степень сортированности материала (Башенина, 1948; Крашенинников, 1954), что привело к широкому распространению на этой территории карбонатных, смытых и дефлированых почв, а на породах морского генезиса - засоленных почв и солонцов. Процессы химического выветривания и выщелачивания пород не получили такого развития как на пенепленизированных равнинах Зауралья.
Основными почвообразующими породами района исследований являются третичные полимиктовые глины и четвертичные суглинки (Самойлова, 1983). Для этих пород характерно преобладание кварца (40-50%), в меньших количествах полевых шпатов, акцессории представлены группой силикатов - эпидо-том, роговой обманкой, биотитом (Блохин, 1997). Результатом образования современных почвообразующих пород является преобладание в составе глинистых минералов иллита, в некоторых случаях монтмориллонита (Самойлова, 1983; Климентьев, 1997). Данные породы карбонатны, богаты щелочноземельными элементами и полуторными окислами. Делювиальные карбонатные глины и суглинки Бугульминско-Белебевской возвышенности и Общего Сыр та, образовавшиеся в результате формирования равнин континентальной аккумуляции, выщелочены от легкорастворимых солей и частично от карбонатов и сменяются на юге (Подуральское плато) делювиальными и элювио-делювиальными закарбоначенными, часто засоленными породами морского генезиса (Мусихин, 1996 а; Блохин, 1997).
Одной из наиболее характерных особенностей рельефа Восточно-Европейской равнины является хорошо выраженная асимметрия речных долин и водоразделов (Неуструев, 1918; Мильков, 1947; 1951; Хоментовский, 1951; Ерохина, 1959). Данный процесс наиболее четко проявляется на широтных водоразделах и связан с особенностями тектонического строения территории и действием биоклиматических факторов. Асимметрия находит свое отражение в размещении типологических ландшафтных комплексов (Чибилев, 1979). На северных пологих и протяженных склонах развит придолинно-плакорный тип местности, к нему примыкает надпойменно-террасовый, переходящий в пойменный. На крутых и коротких склонах южных экспозиций, сильно изрезанных балками и оврагами, формируются сыртово-увалистый и сыртово-холмистый типы местности. Сложность ландшафтной структуры юго-восточной части Восточно-Европейской равнины выражается в проявлении ярусности (до 3-х поверхностей выравнивания), сильном эрозионном расчленении и в тесной взаимосвязи рельефа с литологией пород и неотектоническими процессами (Мазарович, 1936; Мильков, 1951; Карандеева, 1957; Чибилев, 1995; Блохин, 1997; Чибилев и др., 2000).
Климат характеризуется хорошо выраженной континентальностью, которая проявляется в недостаточном и неравномерном атмосферном увлажнении (264-480 мм), значительном преобладании испарения над увлажнением (Ку -0,42-0,78), обильно поступающей солнечной радиации (годовая сумма радиа-ционного баланса - 1569,8-1821,8 МДж/(м год) и значительной суточной, сезонной и годовой изменчивостью (Агроклиматический справочник..., 1957; Агроклиматические ресурсы..., 1971; Ефимов, 1999; Тихонов, 1999; 2000 а, б). Для более полного отражения связи климатических факторов и их лимити рующих показателей с формированием почв нами был использован биоэнергетический подход, предложенный В.Р. Волобуевым (1969), в частности рассчитана годовая величина затрат радиационной энергии на почвообразование. Юго-восточная часть Восточно-Европейской равнины отмечена значительными колебаниями этого показателя: Заволжско-Предуральская провинция -725,9-900,9 МДж/м год и Общесыртовско-Предуральская провинция - 633,8-941,2 МДж/м год (Приложение 2). Варьирование этого показателя, особенно в Общесыртовско-Предуральской возвышенной провинции, обусловлено особенностями проявления климатогенного фактора, что нашло свое отражение в разнообразии почвенного покрова подтипового и родового уровней.
Восточно-Европейская равнина (в пределах области) включает Заволж-ско-Предуральскую и Общесыртовскую возвышенные провинции. Заволжско-Предуральская провинция расположена на северо-западе области, объединяя Бугульминско-Белебеевскую возвышенность и лесостепное Предуралье, представляющие собой холмисто-увалистую лесостепь (березовые и дубово-липовые колки с разнотравно-злаковыми степями). Преобладающая высота междуречий 250-320 м, максимальная отметка местности составляет 382 м н.у.м. Рельеф возвышенности пластово-ярусный, сильно расчлененный, с глубиной вреза рек до 100-150 м. Многочисленные мелкие притоки рек расчленяют пространство плосковершинных сыртов на отдельные междуречья и хорошо дренируют эту территорию (модуль речного стока составляет 3,5-4,0 л/с на 1 км ). Коэффициент расчленения территории достигает 1,28-1,34 км/км , максимальная крутизна склонов составляет 5-6, базис эрозии равен 250-300 м (Блохин, 1997; Климентьев, 1997; Климентьев, Тихонов, 2001). В основании возвышенность сложена аргиллитами, песчаниками, алевролитами, тонкослюдистыми карбонатными глинами, плитчатыми доломитами и известняками, мергелями с прослоями гипсов и конгломератов казанского и татарского ярусов верхнего отдела пермской системы. Характерной чертой этих пород является значительная глинистость и умеренная засоленность (Мусихин, 1996 а). Почвообразующие породы плакоров и склонов представлены в основном про дуктами выветривания пестроцветных мергельно-глинистых пород, передающие почвам красноватую окраску, пылевато-иловатый гранулометрический состав и умеренную карбонатность. Вследствие устойчивости плотных пород казанского и татарского ярусов к денудации на данной территории преобладает плоскостная эрозия почв. Линейная эрозия проявляется на нижних частях склонов, преимущественно южных экспозиций (Климентьев, 1997). Необходимо отметить, что доля пашни в данной ландшафтной провинции самая низкая и составляет 45%, и, как следствие, высока величина коэффициента устойчивости ландшафтов - 0,76 (Блохин, 1997). Климат провинции определен как незначительно засушливый и умеренно теплый. Гидротермический коэффициент (ГТК) равен 0,94-1,27, сумма температур 10С - 2278-2392С. При среднегодовом количестве осадков 337-480 мм за вегетацию выпадает 226-302 мм (Приложение 2).
Холмисто-увалистый эрозионный рельеф и благоприятные климатические условия определили сложное сочетание темно-серых лесных почв с черноземами типичными и выщелоченными. Процесс образования органического вещества в этих почвах протекает очень интенсивно (Носин и др., 1949; Ерохина, 1959; Климентьев, 1997). Мощность гумусовых горизонтов среднемощных разновидностей этих почв варьирует в пределах 46-75 см, маломощных - 36-42 см, при содержании гумуса у черноземов выщелоченных - 7,8-10,7%, типичных - 5,2-11,8%, с постепенным убыванием к низу почвенного профиля (Климентьев, Чибилев, Блохин, Грошев, 2001). Гумус глубоко проникает в почвенную толщу, на глубине 1 м его содержание составляет 1,0%. Варьирование этого показателя отчасти вызвано тяжелым гранулометрическим составом. Запасы гумуса в слое 0-100 см составляют 574-821 т/га (Ерохина, 1959). В групповом составе гумуса преобладают гуматы кальция (свыше 30%). Отношение гуминовых кислот к фульвокислотам составляет 2,40-2,48, что свидетельствует о гуматном составе гумуса. Резкое падение содержания гуматов кальция в иллювиально-карбонатном горизонте объясняется тем, что карбонатный горизонт является химическим барьером для проникновения вглубь гуминовых ки
Методика почвенно-геохимических исследований и применение данных в почвенном мониторинге
В работе, помимо данных содержания подвижных форм тяжелых металлов в почвах-эталонах, обобщены результаты геохимических исследований почвенного покрова лесостепной, степной и сухостепной зон Оренбургской области, проведенные в 1993-2002 годах Государственным центром агрохимической службы «Оренбургский», Оренбургским государственным аграрным университетом, ФГУП «Оренбургское землеустроительное предприятие», АОЗТ «Рост» (Санкт-Петербург), ФГУ «Центр государственного санитарно-эпидемиологического надзора в Оренбургской области».
Из обширной группы тяжелых металлов, рассмотрены следующие химические элементы - цинк, медь, свинец, кадмий, никель и хром, являющиеся важными «фонообразующими» элементами, и, наряду с этим, наиболее интенсивно накапливаемые почвой и активно участвующие в техногенных потоках (Ковда, 1985; Глазовская 1997). Н.А. Ногиной (1964), В.В. Добровольским (1983), Д.С. Орловым (1992), В.К. Кашиным, Г.М. Ивановым (1995; 2002) эти элементы отнесены к приоритетным экологическим токсикантам. Согласно классификации МАИР (по: Боев, Куксанов, Быстрых, 2002), основополагающим принципом которой является степень доказанности канцерогенности для человека, никель и хром (I группа) относятся к химическим веществам, обладающим явным канцерогенным действием, кадмий - к веществам, обладающим вероятным канцерогенным действием (2А группа) и свинец - к веществам, обладающим возможным канцерогенным действием (2В группа).
Необходимо отметить, что до настоящего времени не существует общепринятой методики оценки эколого-геохимического состояния почв (Учватов, 2003). Основными показателями оценки и прогнозирования содержания в естественных почвах и уровней загрязнения техногенных почв используются экспериментальные данные, и динамика их изменений во времени и пространстве (Ларина, Обухов, 1996; Москаленко, Смирнова, 1990). В данной работе основными показателями, характеризующими природное равновесное геохимическое состояние почв и техногенное загрязнение почвенного покрова, являются - общее (валовое) содержание тяжелых металлов и содержание подвижных (экстрагируемых) форм. Под подвижностью химических элементов в почвах понимается способность переходить из твердых фаз почв в почвенные растворы (Глазовская, 1978; Воробьева, 1983) и рассматривается в качестве основного показателя для характеристики геохимического состояния почвенного покрова (Мотузова, 1988; Блохин, 1997). Определение подвижных форм тяжелых металлов (Zn, Си, Cd, Pb, Ni, Сг) почв осуществлялось в лаборатории Государственным центром агрохимической службы «Оренбургский» путем экстрагирования в ЇМ HNCb на атомно-абсорбционном спектрофотометре С115М1 (ГОСТ 17.4.1.02).
Для качественно-количественной оценки техногенных нарушений в почвенном покрове и экосистемах необходимо иметь точку отсчета для почв определенных ландшафтных комплексов (Панин, 1998), что и обуславливает необходимость создания системы опорных участков геохимического мониторинга, которые должны служить региональным и локальным фоном. Под фоном (фоновым содержанием - ФС) мы понимаем среднее содержание химических элементов в природных телах по данным изучения их естественной вариации в пределах однородного в ландшафтно-геохимическом отношении участка.. Наиболее удобными в методическом отношении объектами для определения фоновых показателей и дальнейшего ведения почвенно-геохимического мониторинга являются почвы автономных ландшафтов, в которых практически отсутствует боковой привнос элементов и можно наиболее полно оценить поступление тяжелых металлов из атмосферы. Однако не учитывать почвы подчиненных в геохимическом отношении ландшафтов нельзя, т.к. элювиальный, трансэлювиальный и супераквальный ландшафты не существуют отдельно друг от друга и составляют катенарный комплекс (Кабата Пендиас, Пендиас, 1989; Добровольский, 1992; Большаков и др., 1993; Блохин, Грошев, 2002 а).
За показатель фона использовалась величина минимального лимита среднеарифметического значения концентрации элемента (М+За), при 95% вероятности (Блохин, 1997). Превышение концентраций над фоном, а также повышение коэффициента варьирования содержания элемента явно свидетельствует о техногенном загрязнении. Основой для определения геохимического фона послужили государственная сеть эколого-геохимического мониторинга и сеть почв-эталонов Оренбургской области (Рисунок 1). Фоновые показатели представляют собой сводку величин среднего содержания тяжелых металлов по ландшафтным структурам и могут быть приняты как предварительные шкалы. Предварительность этих шкал определяется сравнительно небольшим банком
Распределение подвижных форм тяжелых металлов по ландшафтно-типологическим комплексам
Разнообразие геохимического состояния почв, помимо литологии определяет геоморфологический фактор (Перельман, Касимов, 1999) или элементарные геохимические ландшафты — ЭГХЛ (Глазовская, 1964). Действие этого фактора рассматривается в соответствии с характером распределения концентраций тяжелых металлов по типам местности. Отмечается тенденция повышения содержания химических элементов в более возвышенных лесостепных провинциях над равнинными степными — Заволжско-Предуральская (1,38 мг/кг) и Общесыртовско-Предуральская (1,07,мг/кг), Зилаирско-Сакмарская, Уральско-Мугоджарская (1,46 мг/кг) и Зауральская (1,11 мг/кг), при почти равновесном среднем содержании в крупных ландшафтных мегаструктурах (Восточно-Европейская равнина и Уральская горная страна) — 1,23 и 1,29 мг/кг (таблица 4.2.1). Повышенное содержание тяжелых металлов в лесостепных провинциях (Бугульминско-Белебеевской и Уральско-Мугоджарской) связано с преобладанием биологического круговорота над геологическим в формировании геохимии почв. Далее при смене физико-географических зон (южная лесостепь — северная степь - южная степь) когерентность ландшафтов уменьшается и постепенно возрастает роль литогенного фактора.
Элювиальные ЭГХЛ Заволжско-Предуральской и Общесыртовско-Предуральской провинций характеризуются выщелачиванием и миграцией свинца, цинка, кадмия (таблица 4.2.1). Достаточно инертны никель и хром, проявляя слабую миграционную способность. Черноземные и каштановые почвы трансэлювиального ЭГХЛ (водораздельно-плакорного и придолинно-плакорного типов местности) характеризуются преобладанием процесса нако пления химических элементов над выщелачиванием. Расчет абсолютных и относительных показателей показывает, что тенденции к накоплению в верхних частях трансэлювиальных ЭГХЛ (водораздельно-плакорный ЭГХЛ) имеет хром и свинец, в нижних частях (придолинно-плакорный тип местности) — цинк, медь, свинец, кадмий. Довольно интенсивной миграционной способностью в генетически связанных водораздельно-увалистом и придолинно-плакорном типах местности обладает цинк (2,65-3,56), средней медь — 1,35-1,36, кадмий — 1,67, свинец — 1,21-1,59, и почти не значительной хром — 1,28 и никель - 1,10. Субаквальный ЭГХЛ характеризуется некоторой аккумуляцией свинца (1,83), цинка (1,29) и хрома (1,11).
В почвах трансэлювиальных ЭГХЛ Уральской горной страны наблюдает ся аккумуляция меди (отношение показателя водораздельно-увалисто останцового к водораздельно-плакорному типу составляет 5,31), цинка (2,31), хрома (1,74) и кадмия (1,50). Причем на равнинах Зауралья этих элементов в почвах содержится в 2,56-5,61 раза больше чем в Предуралье. Данные геохимического состояния почв Уральской горной страны, сформировавшихся на водораздельно-увалисто-останцовом типе, показывают, что цинк, медь и кадмий выщелачиваются и мигрируют в генетически связанный с ним водораз-дельно-плакорный. Субаквальный ЭГХЛ (террасовый и пойменный тип) характеризуется значительной миграцией химических элементов.
Содержание химических элементов в почвах Уральской горной страны несколько выше по сравнению с почвами Восточно-Европейской равнины (1,74 и 1,17 мг/кг), что, в основном, связано с особенностями геохимии почво-образующих пород этих ландшафтных структур (Блохин, Грошев, 2002 а; Бло-хин, Грошев, 2003 а). Величина превышения концентраций колеблется в пределах 1,21-2,75 раза (абсолютные значения цинка — 2,26 и 1,86 мг/кг, свинца — 2,58 и 1,89 мг/кг, никеля — 1,92 и 1,46 мг/кг, хрома — 1,76 и 1,38 мг/кг, меди — 0,92 и 0,66 мг/кг и кадмия — 0,44 и 0,16 мг/кг).Средние абсолютные значения концентраций тяжелых металлов степных почв в основном не превышают величин ПДК, исключение составляет содержание кадмия в почвах Уральской горной страны. Превышения этого элемента в почвенном покрове Зауральской высоко-равнинной провинции составляют 1,1-1,5 раза (max отмечается в черноземах южных). В почвенном покрове пахотных почв наблюдаются более высокие концентрации химических элементов, что объясняется повышенной аккумулирующей способностью почв агро-ценозов по сравнению с естественными. Необходимо отметить большое варьирование величин содержания подвижных форм тяжелых металлов в пределах почвенного подтипа. Причем в пахотных почвах этот показатель выше и достигает 50-60% (при 20-40% в естественных) при допустимой аналитической ошибке 28%.
Максимальное содержание в почвах Восточно-Европейской равнины отмечено в черноземах типичных и выщелоченных (1,53 мг/кг), что связано с преобладанием биогенного фактора в геохимии этих почв, при определенном влиянии рельефа. В почвах более южных фаций Предуралья (черноземы южные и темно-каштановые почвы) доминирующим фактором является почвооб-разующая порода. В почвенном покрове Уральской горной страны прослеживается тенденция относительного увеличения концентраций подвижных форм от черноземов обыкновенных к темно-каштановым почвам (1,65 и 2,18 мг/кг), что позволяет сделать вывод о большей зависимости почв этого региона от пород в условиях засушливого климата (таблица 4.3.1).Приоритетными элементами, в группе выбранных элементов, для почв степной зоны Южного Урала являются свинец (28,7%), цинк (23,0%), хром (18,4%) и никель (15,8%) (Рисунок 7). Ряд ассоциаций химических элементов четко дифференцирован и для почвенного покрова Восточно-Европейской равнины имеет вид - Pb-Zn-Ni-Cr-Cu-Cd (Блохин, Грошев, 2003 а). Отличительной чертой почвенного покрова лесостепной и степной зон Предуралья (Заволжско-Предуральская провинция, Общесыртовский и Сакмаро-Предуральский округа Общесыртовско-Предуральской провинции) является доминирование свинца (32,6-35,4%). В целом, ряд элементов имеет вид — РЬ-Ni-Zn-Cr-Cu-Cd. В сухостепной зоне (Урало-Илекский округ), свинец отступает на вторую позицию (20,7%), а лидирует цинк (30,2%) (Zn-Pb-Ni-Cr-Cu-Cd).
В почвах Уральской горной страны первое место занимает цинк (23,9%) и никель (23,8%), незначительно отстают хром (19,9%) и свинец (17,2%) (Zn-Ni-Cr-Pb-Cu-Cd) (Рисунок 7). Для почвенного покрова горной части (Западно-Уральский и Губерлинский мелкосопочники) характерен следующий ряд элементов - Ni-Cr-Zn-Cd-Pb-Cu. Содержание никеля составляет 31,7%, концентрации хрома и цинка составляют 21,3% и 19,7% соответственно. Равнинная часть Зауралья (Урало-Тобольская возвышенная равнина) характеризуется преобладанием цинка (26,9%), а ряд элементов выглядит следующим образом -Zn-Pb-Ni-Cr-Cu-Cd.
Эколого-геохимическое состояние почвенного покрова города Оренбурга
Интенсивная и многофункциональная деятельность человека, в пределах сложного комплекса городской агломерации, приводит к коренным и необратимым изменениям природной среды. Ввиду сложившихся особенностей в городах, антропогенное воздействие становится преобладающим над естественными природными факторами почвообразования. В крупных промышленных городах формируются центры накопления тяжелых металлов, важную роль, в образовании которых играют мощные миграционные потоки тяжелых металлов. Основная особенность загрязнения городских почв заключается в комплексном воздействии на почвенную экосистему большого числа источников загрязнения, как стационарных (промышленные предприятия), так и подвижных (транспорт). Застройка города высотными зданиями, большие объемы земляных работ, захламление территорий, интенсивная эмиссия тепла, СОг, сажи и других загрязняющих веществ в атмосферу затрудняют удаление аэро зольных примесей из приземного слоя воздуха и приводят к формированию смога, что способствует постоянному осаждению тяжелых металлов на поверхность почвы. Городские почвы, являясь ключевым компонентом урбо-ландшафтов, накапливая тяжелые металлы, одновременно являются стартовым звеном в миграции ТМ в сопредельные среды (воду, воздух), а также источником поступления по пищевым цепочкам в организмы животных и человека, как напрямую - через пыль, так и косвенно - через трофические связи (Toxicological Profile for lead, 1990). Комплекс вопросов, связанных с загрязнением почв тяжелыми металлами, предопределил появление значительного числа работ, посвященных изучению данной проблемы (Глазовская, 1988; Почва, город, экология..., 1997; Ильин, Сысо, Байдина, Конарбаева, 1998; Ла-донина, Ладонин, Наумов, Большаков, 1999; Перельман, Касимов, 1999; Коган, 2000; Плеханова, 2000; Природный комплекс большого города, 2000; Ильин, Сысо, 2001; Большаков, Кахнович, 2002; Курамшина, Курамшин, 2003; Оношко, Усова, Глаз, 2003; Цветкова, Сараненко, Дубина, Тупика, 2003), в т.ч. и по промышленным городам Оренбургской области (Куксанов, 1999; 2003; Комплексная..., 1998; Цыцура, Боев, Куксанов, Старокожева, 1999; Комплексная..., 2001; Мониторинг земель..., 2002).
В качестве объекта выявления общих тенденций изменений геохимического состояния почв городов, связанных с загрязнением тяжелыми металлами, был взят почвенный покров областного центра г. Оренбурга. Этот крупный промышленно-административный центр, с сельскими районами, включенными в черту города, занимает площадь 735,7 тыс. км2. Население составляет 509 тыс. человек. В геоморфологическом отношении город расположен на полого-холмистом Сакмаро-Уральском водоразделе, в поймах и надпойменных террасах Урала и Сакмары. Абсолютные отметки поверхности варьируют от 82-85 м в поймах Урала и Сакмары (субаквальный ЭГХЛ) и до 190-200 м на вершинах местных водоразделов (элювиальный ЭГХЛ). Геологическое строение территории представлено породами пермской, неогеновой систем и четвертичными отложениями. Для водоразделов этой территории харак терно горизонтальное залегание палеозойских пород (верхняя пермь), представленных терригенными континентальными породами уфимского, казанского и татарского ярусов. Неоген представлен морскими акчагыльскими глинами с прослоями песков и галечников, а также континентальными известковисты-ми коричневыми глинами и суглинками, четвертичные — речными, ложковы-ми, склоновыми, элювиальными, карстовыми и техногенными отложениями (Самарина, Гаев, Нестеренко и др., 1999; Чибилев и др., 2000).
Территория г.Оренбурга располагается в зоне южных черноземов. Естественный почвенный покров на водораздельных пространствах представлен черноземами южными и южными карбонатными маломощными на элювиально-делювиальных суглинках и глинах. Сложный пойменный комплекс рр.Урала и Сакмары предопределил образование аллювиальных дерновых и луговых почв. В пределах террас почвенный покров представлен черноземами южными остаточно-луговатыми средне- и маломощными. Почвенный покров города в результате деятельности человека, коренным образом изменен и в настоящее время представлен сложными сочетаниями антропогенных почв — ур-баноземов, представляющий собой совершенно новый пространственно-временной и структурно-функциональный объект педосферы (Климентьев, Ложкин, Трубин, 2003 б; Климентьев, Ложкин, Трубин, Каверина, 2003). Мощность нарушенного слоя в районах городской застройки составляет в среднем 1-1,5 м, максимально достигая 3-5 м. Этого достаточно для уничтожения профиля маломощных фоновых почв и образования урбаноземов (Климентьев, Ложкин, Трубин, 2003 а). В этих почво-грунтах происходят глубокие физико-механические и химические преобразования повлекшие изменения свойств и строения профиля.
Большое влияние на формирование и жизнедеятельность экосистемы (в т.ч. городской) оказывает климат. Общими характеристиками климатических условий местоположения города являются: резкая континентальность и засушливость. Температурный режим отличается значительными колебаниями, зимой составляет 47, летом — 37. Среднегодовая температура составляет 3,9С, января —14,8C, июля - +21,9C. Средняя продолжительность безморозного периода равна 147 дням. В год выпадает 300-350 мм осадков. Среднегодовая скорость ветра составляет 4,3 м/с, при этом максимальная скорость ветра наблюдается в мае (10 м/с). Господствующее направление ветра восточное. Повторяемость штилей в городе довольно велика и составляет 6-25% общего времени. В данных условиях высокие приземные концентрации загрязняющих веществ остаются продолжительное время. При таком сочетании климатических данных выбросы промышленных предприятий изменяют состав городского воздуха и воздействуют на термический режим атмосферы, что создает весьма неблагоприятную экологическую обстановку в городе (Цыцура, Боев, Куксанов, Старокожева, 1999; Обзор состояния..., 2002). Выше отмеченные климатические факторы (недостаточное увлажнение, безветренная погода) способствуют накоплению тяжелых металлов в поверхностном слое почвы и растениях. Необходимо отметить, что в городе на близко расположенных друг от друга участках формируются различные микроклиматические условия (изменения температурного, гидрологического и ветрового режимов), что предопределяет мозаичность функционирования городских экосистем.
В административно-промышленном центре г.Оренбурге сосредоточено 130 промышленных предприятий и организаций. Общее количество источников загрязняющих атмосферу составляет - 2910, из них не оснащены пылега-зоочистным оборудованием — 2148, в т.ч. требуют дооснащения 603 (Цыцура, Боев, Куксанов, Старокожева, 1999). Валовые выбросы за 1997-2001 гг. колеблются в пределах 116,76-165,48 тыс. т (таблица 5.2.1.1). Из отходящих 139,387 тыс. т загрязняющих веществ уловлено и обезврежено 77,529 тыс. т (55,6%). По сравнению с 2000 годом выбросы загрязняющих веществ уменьшились на 8,828 тыс. т (7,02 %) (Государственный доклад..., 2002). Основными загрязняющими веществами в атмосфере города являются: пыль, диоксид серы, диоксид азота, оксид азота, формальдегид, оксид углерода, сероводород. В воздушную среду города попадают такие специфические вещества как: ксилол,
