Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Ландшафты Севера Европейской территории России (ЕТР) характеризуются повышенной уязвимостью к воздействию тяжелых металлов (ТМ), и слабой восстанавливаемостью, связанными с характерными для данного региона специфическими климатическими условиями, обуславливающими особенности протекания биогеохимических процессов в компонентах ландшафтов. Так в летний период в условиях высоких температур наблюдается активизация химических и биохимических процессов, в то время как в холодную часть года отмечается их замедление. В этих условиях ландшафту требуется больше времени для восстановления к исходному состоянию после прекращения или существенного ослабления антропогенного воздействия. Оно оказывает негативное воздействие на все компоненты водных и наземных ландшафтов, а также на сопряженные циклы различных ТМ, участвующих в круговороте вещества и энергии. На аккумуляцию, рассеивание и трансформацию форм миграции и нахождения ТМ в наземных и аквальных ландшафтах, а также на границах раздела сред большое влияние оказывают физико-химические факторы (температура, pH-Eh, содержание и состав газов, химический состав и тип вод).
Несмотря на обширные исследования в этом районе уровней концентраций и распределения ТМ было выполнено относительно мало работ, направленных на познание закономерностей поведения ТМ с учетом значений водородного показателя и окислительно-восстановительных условий в воде, донных отложениях (ДО), почвах и атмосферных осадках, а также построение картосхем целого спектра концентраций ТМ и классификацию ландшафтов по типу преобладающих геохимических обстановок. Эти вопросы до настоящего времени остаются не в полной мере изученными, что делает обозначенную в диссертации проблему актуальной в научном и прикладном отношении. Поэтому именно на её решение и были направлены усилия автора.
Объекты исследования - наземные и аквальные ландшафты устьевых областей северных рек.
Предмет исследования - физико-химические условия, уровни концентраций и потоки ТМ в наземных и аквальных ландшафтах устьевой области р. Северная Двина.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в исследовании геохимических условий распределения ТМ в наземных и аквальных ландшафтах устьевой области р. Северная Двина.
-
Выделение по типу преобладающих геохимических обстановок и уровню антропогенного воздействия в районе исследования основных типов элементарных аквальных ландшафтов.
-
Установление региональных закономерностей распределения основных физико-химических показателей в системах «атмосфера - вода», «вода - донные отложения» и «почвы - вода» в контексте их влияния на формы нахождения и миграции ТМ.
-
Построение диаграммы распределения в системе координат величин pH - Eh исследуемых компонентов ландшафтов, выявление кластеров в общем массиве распределения этих показателей, расчет уравнений регрессии.
-
Определение уровней содержания приоритетных ТМ в атмосферных осадках (снег), поверхностных водах, донных отложениях и почвах территории устьевой области р. Северная Двина и создание базы данных.
-
Исследование распределения различных миграционных форм ТМ в компонентах ландшафтов в зависимости от величин основных физико- химических параметров.
-
Построение картосхем пространственного распределения концентраций ТМ в различных компонентах наземных и аквальных ландшафтов исследуемой области для оценки их загрязненности.
-
Выполнение оценки потоков ТМ в речную систему Северной Двины с атмосферными осадками и плоскостным смывом, расчет выноса ТМ с речными водами в Двинской залив Белого моря.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в следующем:
-
Впервые для исследуемого района теоретически обоснована и разработана структура ландшафтов с последующим выделением основных типов элементарных аквальных ландшафтов на основе определённых физико- химических параметров, содержания ингредиентов и уровню антропогенного воздействия.
-
Установлено, что величины основных физико-химических параметров исследуемых компонентов ландшафтов устьевой области Северной Двины при нанесении на диаграмму pH-Eh группируются в четырех областях, для каждой из которых установлено и объяснено наличие зависимостей различного характера между этими показателями.
-
Описан биогеохимический круговорот ТМ (на примере Hg) в зависимости от величин pH и Eh в различных средах и на их границах и предложена его концептуальная модель.
-
Проведена эколого-геохимическая оценка синхронного пространственного и радиального распределения приоритетных ТМ в компонентах наземных и аквальных ландшафтов района исследования.
-
Создана база данных концентраций ТМ в атмосферных осадках, почвах, поверхностных водах и ДО и построены картосхемы пространственного распределения металлов.
-
Рассчитаны потоки ТМ через атмосферный канал и с плоскостным смывом в устьевую область р. Северная Двина, а также вынос ТМ с речным стоком в Двинскую губу Белого моря.
1. В устьевой области Северной Двины выделены типы элементарных аквальных ландшафтов. Установлена приуроченность более высоких концентраций валовых форм большинства тяжелых металлов к природным и антропогенным ландшафтам, где господствует сероводородная и глеево- сероводородная обстановки.
-
-
Для компонентов наземных и аквальных ландшафтов общей закономерностью являются относительно низкие величины физико-химических параметров, что связано с влиянием поступающих из торфяных болот вод. Установлена следующая тенденция изменения средних величин pH и Eh: значения pH возрастают в ряду почва ^ атмосферные осадки ^ донные отложения ^ речная вода, а Eh - донные отложения ^ речные воды ^ почва ^ атмосферные осадки.
-
В эколого-географическом аспекте распределение приоритетных тяжелых металлов в компонентах наземных и аквальных ландшафтов характеризуется следующими чертами: в атмосферных осадках максимальные концентрации Cd выявлены в районе г. Новодвинск, а Pb, Cr и Hg приурочены к дельте реки; в поверхностных водах содержания Cu, Cr и Zn превышают существующие ПДК; донные отложения на участке акватории порт Бакарица - г. Архангельск существенно обогащены металлами, дельта реки выделяется повышенными относительно условно фонового содержаниями по реке величинами Pb; по суммарному показателю загрязнения почвы относятся к допустимой категории загрязнения тяжелыми металлами.
-
Определены геохимические ряды последовательности величин потоков тяжелых металлов, поступающих через атмосферный канал (Zn > Cr > Ni > Pb > Cu > Cd >Hg), с плоскостным смывом на почвенных частицах (Cr > Zn > Ni > Cu > Pb > Cd >Hg), в результате выноса растворенных форм металлов с речными водами в Двинской залив Белого моря (Zn > Ni > Cu > Pb > Cr >Cd >Hg).
основу диссертационной работы положен оригинальный фактический и экспериментальный материал, полученный в результате ряда научно- исследовательских работ, проводимых автором совместно с сотрудниками кафедры Физической географии, экологии и охраны природы геолого- географического факультета Южного федерального университета (бывший РГУ). Экспедиционные наблюдения производились в теплый (весенне-летний) и холодный (осенне-зимний) сезоны с 2004 по 2009 гг. Отбор проб осуществлялся как в ходе морских экспедиций с борта научно- исследовательского судна «Айсберг-2», так и в наземных маршрутах в сотрудничестве со специалистами Северо-Двинской устьевой станции. Диссертантка принимала участие в полевых исследованиях, производила отбор проб и их подготовку к дальнейшему анализу, проводила работы по определению содержания растворенного в воде кислорода, pH и Eh атмосферных осадков, почв, речных вод и ДО, выполняла сбор, обобщение и интерпретацию материалов, их математическую и картографическую обработку. В работе использованы результаты анализов 177 проб воды, атмосферных осадков, почв, ДО на содержание ТМ (Cu, Ni, Pb, Cd, Cr, Zn и Hg) с общим объемом определений около 900.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Наряду с получением новых научных данных расширяющих представления о геохимических особенностях и закономерностях миграции ТМ в различных компонентах ландшафтов Севера ЕТР, результаты исследования будут полезны и в прикладном отношении - при решении ряда вопросов связанных с возможностью безопасного использования вод для их потребления и рыбного хозяйства, оптимизации экологического и гидрохимического мониторинга и в качестве основы для оценки экологического состояния устьевой области Северной Двины. Результаты диссертационной работы используются при подготовке и чтении ряда курса лекций по предметам «Ландшафтоведение», «Общая гидрология», «Экология человека», «Экология Мирового океана», «Охрана природы» и др. в Южном федеральном университете и Филиале Российского гидрометеорологического университета в г. Ростове-на-Дону.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы были представлены на II-VI Международных научно-практических конференциях «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (Новороссийск, 2005-2008, 2010), XIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006» (Москва, 2006), V Всероссийской научно- практическая конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI в - будущее российской науки» (г. Ростов-на-Дону, 2007), Молодежной научной конференции «Экологические проблемы Севера» (г. Архангельск, 2008, 2011), IX Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2009), XVIII Международной научной конференции (Школы) по морской геологии (Москва, 2009, 2011), V международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые - наукам о Земле» (Москва, 2010), Международной конференции «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2010), 11th International Multidisciplinary Scientific GeoConference & EXPO «Modern Management of Mine Producing, Geology and Environmental Protection» (Albena, Bulgaria, 2011), Всероссийской научной конференции «Вода и водные ресурсы: системообразующие функции в природе и экономике» (Цимлянск, 2012).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликовано 20 работ, в том числе 2 статьи в научном журнале, рекомендуемом ВАК Российской Федерации.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, содержащего 216 наименований. Объем основного текста диссертации составляет 204 страниц, включая 71 рисунков и 15 таблиц.
БЛАГОДАРНОСТИ. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю, проф., д.г.н. Фёдорову Ю.А. за внимание, ценные советы и помощь, оказанные при выполнении диссертационной работы. Неоценимую поддержку и содействие на всех стадиях работы оказала ст. преп., к.г.н. Овсепян А.Э., доц., к.г.н. Доценко И.В. и доц., к.г.н. Кузнецов А.Н., а также сотрудники кафедры Физической географии, экологии и охраны природы. Автор выражает благодарность коллективу Северо-Двинской устьевой станции во главе с начальником Шевченко Л.Б. и экипажу НИС «Айсберг-2» за сотрудничество и содействие в проведении экспедиций.
Работа по теме диссертации выполнялась при финансовой поддержке проектов РФФИ № 12-05-00420, грантов Министерства образования и науки РФ «Ведущие научные школы России» НШ-5658.2012.5 , гос. контрактов № 16.740.11.0054, П1102, 14.А18.21.0641, грантов Президента РФ МК-2100.2009.5, МК-1453.2011.5.
Похожие диссертации на Геохимические условия распределения тяжелых металлов в наземных и аквальных ландшафтах : на примере устьевой области реки Северная Двина
-
