Введение к работе
Актуальность темы. Экологические проблемы, вызванные деятельностью человека, имеют комплексный характер. В значительной степени они обусловлены включением в миграционные потоки всех основных цепей техногенных токсикантов, в том числе тяжёлых металлов. Находясь преимущественно в рассеянном состоянии, тяжёлые металлы могут образовывать локальные аккумуляции, где их концентрация в сотни и тысячи раз превышает среднепланетарные уровни. Поэтому выяснение закономерностей, определяющих содержание и миграцию тяжёлых металлов в биосфере, занимает одно из важнейших мест в комплексе задач по охране природы (Природный комплекс большого города…, 2000).
В качестве мощного аккумулятора тяжёлых металлов и исходного звена в миграции токсикантов по наземным трофическим цепям выступает почва. Она, в отличие от других природных сред, обладает трансформирующими свойствами по отношению ко многим классам загрязнителей. В ней одновременно протекает ряд процессов, приводящих к перераспределению и изменению физико-химического состояния поллютантов.
Почвенно-растительный покров центральной территории г. Архангельска исследовался на содержание тяжёлых металлов и элементов питания растений (Попова и др., 1998, Наквасина и др. 2006, Корельская, 2008). Однако в настоящее время основным в решении проблем взаимодействия человека и природы признан ландшафтный подход. В центре его внимания находится морфолого-структурное строение ландшафтов, образовавшихся в результате хозяйственной деятельности человека, которая изменяет подвижность, трансформацию и кумуляцию тяжёлых металлов в почвенно-растительном покрове.
Объект исследований. Почвенно-растительный покров основных урболандшафтов г. Архангельска.
Цель исследований. Выявление закономерностей накопления, перераспределения и миграции тяжелых металлов в различных формах в почвенно-растительном покрове урбанизированных ландшафтов г. Архангельска.
Задачи исследований:
-
Определить основные источники загрязнения урболандшафтов (промышленного, селитебного, лесного и лугового) г. Архангельска.
-
Произвести оценку состояния урболандшафтов г. Архангельска по агрохимическим показателям и обеспеченности элементами питания (NO3, K2O, P2O5).
-
Определить содержание валовых и подвижных форм тяжёлых металлов (Cu, Zn, Pb, Ni, Co, Hg, Mn, V), выявить территориальные особенности и произвести оценку состояния почвенно-растительного покрова урболандшафтов г. Архангельска.
-
Выявить особенности кумуляции, миграции и трансформации соединений тяжёлых металлов в почвах антропогенно-техногенных ландшафтов.
-
На основе выявленных механизмов закрепления тяжёлых металлов в почве предложить способы рекультивации загрязнённых почв и формирования почвогрунтов в г. Архангельске.
Научная новизна. В результате проведенных исследований впервые выявлена степень загрязнения урболандшафтов г. Архангельска тяжёлыми металлами. С применением современных методов анализа выполнены комплексные химические и физико-химические исследования свойств почвенно-растительного покрова г. Архангельска с учётом ландшафтных особенностей. С помощью ряда современных статистических методов анализа (корреляционный, регрессионный) установлены причинно-значимые факторы, определяющие накопление тяжёлых металлов в урболандшафтах и основные закономерности в распределении разных форм металлов, выявлены ведущие факторы, влияющие на закрепление тяжёлых металлов в почвах.
Практическая значимость исследования. Результаты исследований могут быть использованы для разработки системы мониторинга при оценке экологического состояния почвенно-растительного покрова и рекомендаций по снижению токсико-экологических последствий загрязнения тяжёлыми металлами различных урболандшафтов региона. Установленные механизмы закрепления металлов в почве могут быть использованы для проектирования способов рекультивации загрязнённых почв и формирования почвогрунтов.
Выявленные закономерности транслокации тяжёлых металлов в растения могут быть применены для составления шкал нормирования их содержания применительно к условиям Крайнего Севера.
Сформированный банк данных содержания металлов в почве и растениях используется для картирования городской территории с применением геоинформационных технологий и оценки экологической ситуации урболандшафтов Архангельска, для моделирования процессов миграции тяжелых металлов в почвенно-растительных системах и оценки риска их загрязнения данными поллютантами.
Реализация результатов исследования. Отдельные разделы диссертационной работы использованы при чтении лекций общепрофессиональных курсов: «Химия окружающей среды», «Экологическая химия» и специализированных курсов: «Методы контроля качества окружающей среды», «Анализ объектов окружающей среды», «Физико-химическая экология», «Методы оценки загрязнения окружающей среды», «Химические процессы в окружающей среде» для студентов и магистрантов естественно-географического факультета Поморского государственного университета и Лесотехнического института Северного (Арктического) федерального университета.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Оценка степени загрязнения почвенно-растительного покрова урболандшафтов г. Архангельска тяжёлыми металлами.
-
Оценка экологического состояния почв по агрохимическим показателям и обеспеченности элементами питания.
-
Изменение подвижности соединений тяжёлых металлов в условиях техногенного влияния на почвенный покров.
-
Влияние загрязнения почвенного покрова на уровень содержания элементов питания и тяжёлых металлов в растительности.
Достоверность результатов исследований и обоснованность выводов основываются на экспериментальных данных, полученных с применением современных физико-химических методов анализа, с использованием стандартных и аттестованных методик. Корректность результатов подтверждается их сходимостью при повторных экспериментах, обработанных методами математической статистики с высокими коэффициентами точности и достоверности.
Личный вклад. Автором, с учетом рекомендаций руководителя, сформулированы цели и задачи исследований, выбраны методические подходы к их решению; в течение 2006-2011 гг. получены и интерпретированы экспериментальные результаты.
Апробация работы. Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, доложены и обсуждены на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2007-2010); Всероссийской конференции с международным участием «Северные территории России: проблемы и перспективы развития» (Архангельск, 2009); III Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий» (Астрахань, 2009); V международной конференции по криопедологии «Разнообразие мерзлотных и сезоннопромерзающих почв и их роль в экосистемах», (Улан-Удэ, 2009); Международном экологическом форуме «Экология большого города» (Санкт-Петербург, 2009); IV Всероссийской научной конференции с международным участием «Отражение био-, гео-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове» (Томск, 2010); научной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения Н.М. Сибирцева «Генезис, география, классификация почв и оценка почвенных ресурсов», (Архангельск, 2010); Международной научно-практической конференции «Регионы в условиях неустойчивого развития», (Кострома, 2010); Всероссийской научной конференции «Закономерности изменения почв при антропогенных воздействиях и регулирование состояния и функционирования почвенного покрова» (Москва, 2010); III Международной конференции «Геоэкологические проблемы современности» (Владимир, 2010); VII Международной научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем» (Экология 2010), (Уфа, 2010).
Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 24 работы, в том числе 5 – в изданиях, рекомендованных ВАК.
Связь работы с научно-исследовательскими темами и программами. Данная работа была поддержана грантами: гранты РФФИ и Администрации Архангельской области № 05-04-97531, 08-04-98808, РФФИ-Север 11-04-98800-а, Проектом 1-7 администрации Архангельской области (2008 г), в которых автор был исполнителем.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы (180 источников, из них 47 иностранных), 15 приложений. Работа включает 174 страницы машинописного текста, 45 рисунков, 35 таблиц.
