Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1 .Влияние антропогенного воздействия на функционирование городских почв 7
1.2.Антропогенная трансформация почв крупных поселений и промышленных зон 10
1.3.Основные направления воздействия типа городского землепользования на почвенный покров 27
1.4.Принципы и методы экологической оценки городских почв 34
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 42
2.1. Характеристика объекта 42
2.2. Методика исследования 50
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 56
3.1. Трансформация базовых почвенных характеристик 56
3.1.1. Органический углерод 56
3.1.2. Физико-химические свойства почв 67
3.2. Загрязнение городских почв тяжелыми металлами 93
3.3. Экологическое состояние почв сельскохозяйственного назначения в пределах городской черты 134
ВЫВОДЫ 146
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 148
ЛИТЕРАТУРА 149
ПРИЛОЖЕНИЯ 164
- .Влияние антропогенного воздействия на функционирование городских почв
- Характеристика объекта
- Физико-химические свойства почв
Введение к работе
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: 1) 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 нужд 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-гигиеническими 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 загряз нения и дать максимально полную характеристику трансформации почв с учетом множественности факторов воздействия.
Для 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-транспортной, селитебной, рекреационной зон, а также придорожных полос тяжелыми металлами;
• выявление закономерностей распределения металлов по функциональным зонам с различным уровнем и характером антропогенного воздействия;
• оценка уровня загрязнения сельскохозяйственных земель в пределах городской черты.
Научная 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 загрязнители 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 от носятся 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 городской 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 состояния почв, использованные в работе, а также полученная база данных, могут получить широкое распространение в практике государственного экологического 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 дисциплин: 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, увели чение площадной контрастности содержания органического вещества и поллютантов;
• промышленное производство является основным загрязнителем почвенного покрова, при этом основным фактором образования аномалий тяжелых металлов является размещение и временное хранение промышленных 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 на научных и научно практических конференциях: Нижегородский государственный университет, Г.Н.Новгород (2002), Почвенный институт им. В.В. Докучаева, г.Москва (2003), Международный научно-промышленный форум «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.
Влияние антропогенного воздействия на функционирование городских почв
В современных научных разработках и классификационных построениях в настоящее время значительное внимание уделяется антропогенно преобразованным почвам и, в частности, почвам крупных населенных пунктов и промышленных районов. Это внимание во многом связано с особой ролью почвенного покрова на данных территориях.
Роль почвы в городе существенна и разнообразна. Почвы, формирующиеся в урбоэкосистеме, аналогично естественным почвам, выполняют роль базисной составляющей, в них замыкаются биогеохимические круговороты веществ, происходит биохимическое преобразование культурного насыпного слоя, трансформация поверхностных вод в грунтовые, они являются питательным субстратом для растений. Почва служит банком для семян, регулятором газового обмена и т.д. (Добровольский Г.В., Никитин Е.Д., 1990; Почва. Город. Экология, 1997; Автухович И.Е., 2002).
Выполняя важные средообразующие функции, почва изменяет химический состав атмосферных осадков и подземных вод, она является универсальным биологическим сорбентом, поставщиком и регулятором содержания СОг, 02.N2 в воздухе.
Благодаря определенным биогеохимическим свойствам и огромной активной поверхности тонкодисперсной части, почва превращается в «депо» токсических соединений и одновременно становится одним из важнейших биогеохимических барьеров для большинства соединений (тяжелые металлы, минеральные удобрения, пестициды, нефтепродукты и т.д.) на пути их миграции из атмосферы города в грунтовые воды и речную сеть. Почва переводит поверхностные сточные воды в грунтовые и очищает их, а также выполняет функцию защитного сорбционного барьера от загрязнения пресных вод и водоемов (Баширова Ф.Н., 1966, 1975; Бериня Д.Ж., Калвиня Л.К., Карелина Л.В., 1985; Почва. Город. Экология, 1997).
Благодаря своим специфическим свойствам почва во многом определяет условия жизни человека в городе через выполнение санитарных и рекреационных функций. Санитарно-гигиенические функции почвы очень важны, поскольку она является хорошим антисептиком, уничтожая патогенные микроорганизмы и разлагая органические остатки и продукты обмена живых организмов (Гантимуров И.И.,1966; Гапонюк Э.И., 1983; Никодемус О.Э., Ра-манн К.К., 1984; Почва. Город. Экология, 1997; Никифорова Е.М., Алексеева Т. А., 2002; Zanini Е., Bonifacio Е., 1991).
В крупных городах — мегаполисах, особенно в крупных промышленных городах, происходит значительная деградация экологических функций городских почв. Особенно активная деградация или ослабление экологических функций происходит в городах с химической промышленностью.
В крупных городах и промышленных центрах до 70-90% поверхности почвы запечатано асфальтобетоном или жилыми и промышленными постройками, вследствие чего большая доля загрязненных осадков минует почвенное тело и непосредственно уходит через канализацию в водоемы и речную сеть. Для запечатанных ландшафтов характерен максимальный уровень повышения и амплитуды колебаний температур. Асфальтобетонное покрытие защищает почву от основной массы загрязнителей и препятствует проникновению в почву дождевых осадков, изменяет водно-воздушный режим. В то же время жизнедеятельность микроорганизмов под дорожными покрытиями не прекращается, о чем свидетельствует газообмен почвы с атмосферой (Никодемус О.Э., Раманн К.К., 1984; Почва. Город. Экология, 1997; Ре-шоткин О.В., Худяков О.И., Гук Е.Е., 1999; Прокофьева Т.В., Седов С.Н., Строганова М.Н., 2001; Никифорова Е.М., Алексеева Т.А., 2002). Одним из негативных последствий, создающихся в результате запечатывания почвы, является парниковый эффект. Без естественной аэрации происходит переувлажнение почвы, что способствует процессам повышения влажности в под 9 валах и разрушению фундаментов. В результате страдает здоровье жителей нижних этажей: наблюдается повышенная влажность помещения, развитие патогенной и грибковой микрофлоры, борьба с которой практически невозможна. Излишнее покрытие асфальтом лесопарков, бульваров, скверов и прочих территорий также неблагоприятно: корни, распространяющиеся под асфальт, гибнут в анаэробных условиях, поэтому необходимо заменять непроницаемое покрытие экологически чистой брусчаткой или другими проницаемыми материалами.
В городской почве, в отличие от природных почв, появляются новые компоненты, новые энергетические и вещественные связи, присущие урбанизированным экосистемам (Обухов А.И., Лурье Е.М., 1983; Никодемус О.Э., Раманн К.К., 1984; Обухов А.И., Лепнева О.М., 1988, 1989; Почва. Город. Экология, 1997; Строганова М.Н., 1998; Никифорова Е.М., Алексеева Т.А., 2002; Титова В.И., Дабахов М.В., 2002, 2004).
Между городской почвой и другими природными телами протекают следующие процессы обмена веществами и энергией:
- обмен газами в системе «Атмосфера (в т.ч. газовые выбросы промышленности) - Почва - Растение (корни) - Грунт (в т.ч. протечки газовых коммуникаций)»;
- обмен жидкой и парообразной влаги в системе «Атмосфера (в т.ч. выбросы водяного пара вблизи ТЭЦ и заводов) — Почва — Растение -Грунт (в т.ч. протечки водопроводной сети)»;
- обмен тепловой энергией в системе «Атмосфера (в т.ч. дома, ТэЦ и пр.) — Почва - Грунт (в т.ч. тепловые коммуникации в почве)»;
- обмен пылевыми частицами в системе «Атмосфера - Почва - Растение - Грунт - Строительно-бетонно-дорожные источники»;
- одностороннее отчуждения из почвы органического вещества, синтезированного высшими растениями (удаление лесной подстилки в парковых зонах, скашивание газонов) и биогенных элементов; - синтез и разрушение органических соединений, в т. ч. гумификация.
Антропогенные нарушения почвенного покрова приводят к серьезным нарушениям и деградации всего природного комплекса, что в конечном итоге создает угрозу здоровью и жизни человека в городе.
Характеристика объекта
Состояние и функционирование природного комплекса в большом городе во многом определяется ролью климатических условий как передаточного звена техногенных воздействий. Так, процессы тепло- и массообмена в приземной атмосфере непосредственно влияют на накопление и трансформацию техногенных загрязнителей в растениях и почве (Глазовская М.А., 1994). Миграция загрязнителей зависит от характера и скорости химических превращений органических и минеральных веществ (разложение, гидролиз, окисление, восстановление) в воздухе и почве и от интенсивности выноса продуктов техногенеза за пределы территории воздушными и водными потоками.
Территория Автозаводского района г. Нижнего Новгорода расположена в Левобережной низинной зоне реки Оки в центральной части Нижегородской области. Климат Нижегородской области умеренно континентальный, обычно с холодной многоснежной зимой и умеренно жарким коротким летом. С сентября по май на территории области преобладают юго-западные ветры, а с июля по август — северо-западные. Возможные потери влаги на испарение исчисляются примерно в 500 мм в год на 1 см2.
В этом районе создаются условия избыточного увлажнения (положительный баланс влаги), а засухи — явление редкое (Агроклиматический справочник..., 1959).
Наиболее холодным периодом зимы обычно бывает вторая половина января и первая половина февраля. Самая низкая среднемесячная температура воздуха бывает также в январе -13,4С. Около 30% годовых осадков выпадает в виде снега. Устойчивый снежный покров ложится обычно 15-20 ноября. Запасы воды в снеге составляют к концу зимы на полях 120-130 мм (Агроклиматический справочник..., 1959; Рабочая классификация ..., 1990; Природный комплекс..., 2000). Самой теплой является третья декада июля (средняя температура +18,5С). Жаркая погода летом обычно бывает сухой. Максимальные температуры редко превышают 30С. Для Нижегородской области нередки случаи прохладных летних сезонов, которые одновременно бывают и дождливыми (Агроклиматический справочник..., 1959; Почвы Горьковской ..., 1978).
В целом для изучаемой территории характерны небольшой процент инверсий и малые скорости ветра, что создает равновесные условия для рассеивания и накопления природных и техногенных примесей в городской атмосфере. Благодаря этому территория города отнесена к зоне умеренного потенциала загрязнения воздуха (Агроклиматический справочник..., 1959; Природный комплекс..., 2000).
Наблюдаются некоторые различия в климатических показателях между ландшафтными районами низинной и возвышенной частей города. В частности, среднесуточные температуры воздуха низинного и нагорного берегов р.Оки иногда резко отличаются (до 7С), что вызывает температурные инверсии и обуславливает появление смога. Однако бассейн атмосферного переноса продуктов техногенеза, размещенный почти вдоль реки, вследствие частой повторяемости направления ветров с запада на восток способствует частичному выносу поллютантов за пределы границ района. С другой стороны, эти же ветры способствуют проникновению в атмосферу над районом трансграничных потоков токсичных веществ промышленных предприятий химической отрасли г. Дзержинска.
В целом низинная часть города имеет среднюю годовую температуру на 0,3 выше, чем возвышенная часть (3,4 против 3,1). Сумма биологически активных температур равна 2115. Данная часть города имеет несколько больше теплоэнергетических ресурсов для роста зеленых насаждений, чем возвышенная. Годовая сумма осадков (с поправками на выдувание и смачивание осадкомерного ведра) 600 мм.
Автозаводский район г. Нижнего Новгорода расположен на территории со спокойным рельефом (Природный комплекс..., 2000). Здесь самая слабая овражно-балочная сеть в Нижегородской области: степень расчленения не превышает 0,5 км/км . Низины окского левобережья сложены водно-ледниковыми, моренными и аллювиальными отложениями: песками, глинами, местами встречаются скопления валунов (Рабочая классификация ..., 1990). Однако на территории города преобладают песчаные отложения, образующие песчаные бугры, дюны и гривы. Близость к поверхности земли водоупорных и водоносных слоев (часто на глубине 2-4 м), слабые уклоны местности и слабое испарение при значительном количестве осадков (до 580-600 мм в год) привели к образованию большого количества болот, озер, рек и торфяников (Агроклиматический справочник ..., 1959; Почвы Горьковской ..., 1978).
На территории Нижнего Новгорода зональными почвами являются подзолистые и серые лесные, а так же аллювиальные. В низинном Заречье преобладают дерново-подзолистые песчаные и легкосуглинистые почвы, развившиеся на песчаных и песчано-иловатых древнеаллювиальных отложениях. Значительные территории здесь переувлажнены, что обусловило развитие процессов оглеения, а также формирование почв болотного ряда (Рабочая классификация почв..., 1990).
Аллювиальные почвы формируются в поймах рек и характеризуются регулярным, но не обязательным ежегодным затоплением, паводковыми водами и отложением на поверхности свежих слоев аллювия. Главная особенность почвообразования в поймах рек - развитие поемного, аллювиального и дернового процессов. Эти процессы обуславливают специфические черты строения аллювиальных почв, особенности водного режима и генезиса в целом (Почвы Горьковской ..., 1978). В то же время за счет регулирования уровня реки в паводковый период и антипаводковые инженерные мероприятия затопления исследуемой территории не происходит в течение очень длительного времени, в результате чего признаки гидроморфизма расположенных на ней почв встречаются только в пониженных частях рельефа и носят реликтовый характер. Изучение почвенного покрова в пределах урбанизированных территорий осложняется тем, что почвы города подвергались длительному антропогенному воздействию. Они в значительной степени изменены и преобразованы в связи с промышленно-гражданским строительством и высоким уровнем других видов техногенного воздействия. Естественные почвенные горизонты нередко перекрыты привозными грунтами, изолированы от атмосферного воздуха асфальтовым покрытием.
Наряду с зональными типами почв, в пределах города выявлены почвы антропогенного ряда, в том числе дерновые насыпные с каменистыми включениями и прослойками, а также антропогенные насыпные на каменистом строительном мусоре. Первые в своем профиле сохранили преимущественно морфологию естественных почв, характерных для данной территории, однако аккумулятивный горизонт сильно увеличен за счет насыпного материала. Вторые почвы - полностью антропогенные. Они приурочены в основном к бывшим понижениям в рельефе города, а также к местам прежних искусственных и естественных городских прудов. По данным недавних исследований (Природный комплекс..., 2000) на территории города было выделено 15 почвенных разностей, из которых первые семь приходятся на низинное Заречье. Это дерново-подзолистые почвы разного механического состава, антропогенные почвы, оглеенные и почвы болотного ряда.
Физико-химические свойства почв
Одним из характерных направлений трансформации городских почв является изменение их кислотности. Как правило, при рассмотрении этого явления наибольшее беспокойство у исследователей вызывает антропогенное подкисление почв, влекущее за собой целый ряд неблагоприятных последствий: снижение биологической активности почв, увеличение подвижности ряда элементов, являющихся токсичными для растений (алюминий, группа тяжелых металлов), ухудшение питательного и гумусного режима. Однако, как показывают данные многочисленных исследований (Почвы. Город. Экология..., 1997; Экогеохимия ..., 1995; Природный комплекс ..., 2000; Строганова М.Н., 1998) в условиях города значительно большего внимания заслуживает антропогенное подщелачивание почвенного покрова, обусловленное рядом факторов:
- пыль промышленных и транспортных выбросов имеет щелочную реакцию;
- строительный мусор и отходы содержат большое количество карбонатов щелочных и щелочно-земельных металлов;
- в целях планирования территории и зеленого строительства нередко используются промышленные отходы (чаще всего литейного производства и уже упомянутые строительные) и компосты, приготовленные на основе осадков сточных вод и бытового мусора, также имеющие преимущественно нейтральную и слабощелочную реакцию среды.
Влияние подщелачивания почв на общую экологическую обстановку может быть рассмотрено с двух сторон.
Во-первых, не вызывают сомнения некоторые положительные моменты увеличения значения рН городских почв, особенно для поселений, находящихся в таежной и лесостепной зонах, где для естественных почв подзолистого ряда характерно низкое значение данного показателя:
- при умеренной нейтрализации почв улучшается агрохимическое состояние почв - оптимизируется ряд микробиологических характеристик, положительно влияющих на гумусное состояние, с подщелачивающими агентами в почву попадают элементы питания, как макро-, так и микро- (ортофосфаты, калий, кальций, магний и другие);
- для большинства растений, формирующих древесный и травянистый покров зеленых зон города, оптимальный диапазон кислотности лежит в слабокислой и нейтральной зонах, что способствует повышению их биологической продуктивности и поступлению в почву органических соединений с опадом и отпадом; - снижается подвижность большинства токсичных элементов (свинца, цинка, меди, никеля, алюминия и других) за счет образования и снижения растворимости малоподвижных солей и органо-минеральных соединений;
- ряд ионов (кальций, магний, калий), поступающих в почву с подщелачивающими агентами, является антагонистами для тяжелых металлов, снижая их поступление в растения;
- обогащение почвы соединениями кальция и магния положительно влияет на почвенную структуру.
С другой стороны, в районах со значительным уровнем эмиссии пыли наблюдается и ряд неблагоприятных тенденций, связанных со следующим:
- очень часто значение обменной рН городских почв повышается до уровня, превышающего верхнюю границу толерантности растений, что вызывает ухудшение их состояния и, в некоторых условиях, гибель;
- формирование кислотно-щелочного геохимического барьера на пути миграции тяжелых металлов, помимо положительного эффекта снижения их подвижности и возможности попадания в растения, способствует образованию их гипераккумуляций и повышению опасности вторичного загрязнения сопредельных сред при выдувании и распылении почв; это очень часто происходит при деградации почв в результате вытаптывания, лишения растительного покрова, механического нарушения при строительстве и воздействии техники.
Таким образом, при оценке последствий антропогенного подкисле-ния и подщелачивания городских почв необходимо принимать во внимание как положительные, так и отрицательные стороны этих процессов. При этом можно упомянуть о том, что в настоящее время в ходе исследований загрязнения почвенного покрова почв, находящихся под интенсивным тех 70 ногенным воздействием, анализ состояния их физико-химических свойств чаще всего ограничивается констатацией имеющихся тенденций без рассмотрения их влияния на формирование системы биогеохимических барьеров.
В рамках данного исследования основное внимание уделялось следующим направлениям:
- изучение современного состояния физико-химических показателей городских почв с учетом их расположения в различных функциональных зонах (селитебной, промышленной, транспортной, селитебно-транспортной, рекреационной, агротехногенной);
- оценка показателей устойчивости реакции почвенной среды, в качестве основного из которых использовалась кислотно-щелочная буферность; этот показатель наиболее детально рассматривался в почвах рекреационных зон Автозаводского района (Автозаводский парк, Стригинский бор, парк «Дубки»), поскольку они в наименьшей степени затронуты механическими нарушениями и из комплекса антропогенных факторов испытали преимущественно химическое воздействие.
Рассмотрим результаты определения обменной кислотности в различных функциональных зонах Автозаводского района (табл.3).
