Содержание к диссертации
Введение
1 Методология геоэкологических исследований ландшафтов Северного Кавказа и. анализ ранее проведенных работ 12
1.1 Полевые работы 14
1.2 Лабораторные исследования 15
1.3 Статистическая обработка и анализ материала 17
1.4 Картографирование и систематика ландшафтов 18
2 Факторы формирования и закономерности размещения геохимических ландшафтов Северного Кавказа 26
2.1 Природные особенности формирования ландшафтов 26
2.1.1 Формирование ландшафтов в нивальной зоне 26
2.1.2 Растительный покров как фактор формирования ландшафтов 28
2.1.3 Влияние аэральной миграции на формирование ландшафтов 36
2.1.4 Геоморфологические особенности ландшафтов региона 39
2.1.5 Почвообразующие комплексы Северного Кавказа 49
2.1.6 Химизм почвенных растворов как результат взаимодействия ландшафтообразующих факторов 54
2.2 Техногенное преобразование ландшафтов 59
2.3 Региональные закономерности формирования и распространения ландшафтов Северного Кавказа 70
3 Геохимия ландшафтов Северного Кавказа - 84
3.1 Геохимические особенности региональных ландшафтно геохимических систем 88
3.1.1 Ландшафты Северо-Западного Кавказа 82
3.1.2 Ландшафты Западного Кавказа 94
3.1.3 Ландшафты Центрального Кавказа 98
3.1.4 Ландшафты Восточного Кавказа 101
3.1.5 Сравнительный анализ региональных ландшафтно-геохимических систем 107
3.2 Природные факторы и закономерности геохимической дифференциации ландшафтов 119
3.2.1 Геохимическая специфика ландшафтов с различным растительным покровом 120
3.2.2 Геохимические особенности эоловой дифференциации 128
3.2.3 Латеральная геохимическая дифференциация каскадных систем 142
3.2.4 Радиальная геохимическая дифференциация ландшафтов 155
3.2.4.1 Геохимические особенности почвообразующих комплексов Северного Кавказа 155
3.2.4.2 Взаимосвязь геохимии почв и горных пород 161
3.2.4.3 Выравнивание концентраций химических элементов в почвах как основная тенденция их перераспределения в системе породы - почвы 164
3.3 Геохимические особенности агрогенного преобразования ландшафтов 183
3.3.1 Влияние возделывания многолетних культур 183
3.3.2 Влияние возделывания однолетних культур 190-
3.3.3 Геохимические особенности ландшафтов пастбищ и сенокосов 199
3.4 Сравнительный анализ геохимии природных и антропогенных ландшафтов 209
4 Оценка состояния и антропогенного преобразования ландшафтов Северного Кавказа 219
4.1 Качественная оценка 219
4.1.1 Особенности и динамика антропогенной трансформации ландшафтов 219
4.1.2 Региональные аспекты антропогенной трансформации ландшафтов 229
4.2 Количественная оценка 231
4.2.1 Оценка состояния геохимических ландшафтов с позиций современного экологического нормирования 231
4.2.2 Аномалии и повышенные содержания химических элементов в почвах и роль геохимических барьеров в их формировании 241
4.2.3 Динамика концентраций химических элементов в почвах 251
4.2.4 Расчет и оценка региональных кларков почв и горных пород 257
4.2.5 Оценка геоэкологических особенностей ландшафтов относительно регионального фона 271
5 Ландшафтно-геохимические принципы экологического нормирования 285
5.1 Обоснование необходимости ландшафтно-геохимического подхода 285
5.2 Установление химических элементов, параметры распределения которых, могут быть использованы в экологическом нормировании 293
5.3 Практическое использование результатов ландшафтно-геохимических исследований в экологическом нормировании 295
Выводы 301
Литература * 306
- Техногенное преобразование ландшафтов
- Природные факторы и закономерности геохимической дифференциации ландшафтов
- Аномалии и повышенные содержания химических элементов в почвах и роль геохимических барьеров в их формировании
- Установление химических элементов, параметры распределения которых, могут быть использованы в экологическом нормировании
Введение к работе
Актуальность темы. При различных видах природопользования в активный биогеохимический круговорот поступают огромные массы химических соединений, до этого находящиеся в иммобилизованном состоянии или вообще ранее отсутствовавшие. Их дальнейшая судьба определяется параметрами: среды, в которую они поступают. В зависимости от ее ландшафтно-геохимических условий происходит рассеяние или локализация веществ в природных и техногенных системах. Результатом такой локализации часто является загрязнение окружающей среды; и особенно ее основной, наиболее консервативной депонирующей части, которой являются почвы.
Почвы длительное время хранят следы различных воздействий. Поэтому, изучая распределение, соотношение и особенности миграции в них химических элементов можно оценить историю развития ландшафта и состояние окружающей среды, установить конкретные факторы, определяющие его функционирование и влияние трансграничных миграционных потоков, смоделировать ситуацию в случае изменения физико-химических параметров среды: Все разнообразие и пестрота содержаний химических элементов в почвах формируется в результате взаимодействия и различной интенсивности многих процессов. Особую роль в их изучении играет ландшафтно-геохимический подход, который позволяет выделить сравнительно однородные территории — ландшафты, характеризующиеся определенным сочетанием внешних факторов миграции и, как следствие, различной концентрацией и соотношением.химических элементов в почвах и растениях, а также реакцией ландшафта на внешнее воздействие.
С этой - точки зрения изучение геохимии и оценка состояния ландшафтов Северного Кавказа, как, одного из самых населенных и разнообразно используемых регионов, а с другой стороны исключительно важного для Российской Федерации в рекреационном отношении, представляется чрезвычайно актуальным, так как позволяет решить три важнейшие геоэкологические проблемы, затрагиваемые в данной работе.
Первая. — изучение закономерностей миграции и концентрации химических элементов в различных ландшафтно-геохимических условиях для установления роли природных и антропогенных факторов.
Вторая - разработка критериев экосистемного нормирования, учитывающих основные особенности региона и позволяющих объективно оценить состояние окружающей среды и происходящих в ней изменений.
Третья — определение природоохранных принципов размещения сельскохозяйственных и промышленных производств с учетом ландшафтно-геохимических особенностей, позволяющих ограничить негативные процессы, порождаемые их эксплуатацией.
Первая проблема во многом решается методом сопряженного анализа и оценкой содержаний химических элементов в ландшафтно-геохимических системах и, главное, в почвах, так как именно в них пересекаются и взаимодействуют все компоненты ландшафтов. Вторая — методами ландшафтно-геохимического картографирования и разработкой методологии использования геохимической информации в экологическом нормировании. Решение третьей проблемы определяется успешностью выполнения первых двух и знанием геоэкологических особенностей различных технологий.
Цель работы - определение закономерностей формирования и размещения геохимических ландшафтов на территории Северного Кавказа, установление геохимических особенностей их географической дифференциации и антропогенной трансформации для оценки состояния региона и использования при разработке природоохранных мероприятий.
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
- выявить закономерности формирования и пространственного размещения геохимических ландшафтов Северного Кавказа и осуществить их картографирование; установить комплекс факторов геохимической дифференциации ландшафтов Северного Кавказа и основных процессов, влияющих на геоэкологическую обстановку в регионе;.
- разработать принципы и создать основу для экологического нормирования на региональном и локальном уровнях.
Фактический материал, положенный в основу диссертации, собран автором во время работы в различных подразделениях Ростовского государственного университета (геолого-географический факультет, НИИФОХ, НИИГЪ) с 1983 по 1999 год и в Новороссийском политехническом институте Кубанского государственного технологического университета с 1992 по 2004 год. Личный вклад автора заключался в руководстве и непосредственном участии в проведении полевых работ на протяжении более 15 лет, обработке и обобщении полученных полевых и аналитических материалов, составлении карты геохимических ландшафтов Северного Кавказа масштаба 1:1000000 (на основе синтеза и переосмысления разномасштабных карт, составленных с участием автора в рамках различных исследований).
Научная новизна. • 1 .Установлена роль факторов в формировании региональных ландшафтно-геохимических систем Северного Кавказа и основные особенности геохимической дифференциации ландшафтов, составлена карта геохимических ландшафтов Северного Кавказа масштаба 1:1000000.
2,Определены основные закономерности природного и техногенного перераспределения химических элементов, а также геохимическая специфика различных видов природопользования.
3.Рассчитаны параметры распределения и региональные кларки микроэлементов в почвах и горных породах геохимических ландшафтов региона.
4.Произведена комплексная оценка состояния, тенденций и степени антропогенной трансформации региона.
5.Создана информационная и методическая основа для внедрения на Северном Кавказе принципов экосистемного нормирования.
б.Разработана методика интегральной геоэкологической оценки состояния и специфики ландшафтов, которая учитывает природную дифференциацию региона и степень антропогенного преобразования.
Защищаемые положения:
1. По особенностям геохимической дифференциации ландшафты Северного Кавказа образуют несколько ассоциаций, представляющих собой укрупненные модели формирования: фоновой геохимической структуры региона: избыточного увлажнения с кислым выщелачиванием и пониженными концентрациями химических элементов в почвах; «экологического оптимума» с повышенным уровнем содержаний химических элементов и слабой интенсивностью их перераспределения; недостаточного увлажнения с интенсивной дифференциацией химических элементов и значительным отклонением от регионального фона; гетерономные гидроморфные с восстановительной обстановкой.
2. Основной природной закономерностью перераспределения микроэлементов в ландшафтах Северного Кавказа является конвергенция их концентраций в почвах, в сравнении с литогенной основой, ведущая роль, в которой принадлежит живому веществу почв и аэральной миграции, сопровождающей процесс почвообразования. Преобразуя исходный субстрат в соответствии с геохимической спецификой жизнедеятельности живое вещество почв нивелирует разнообразие горных пород и зонального растительного покрова, формируя соотношения и концентрации химических элементов, определяющие региональные кларки почв.
3. По степени усиления агрогенной трансформации ландшафты Северного Кавказа образуют следующий ряд: Пастбищные луговостепные Богарные однолетние Орошаемые однолетние Пастбищные на полупустынях Виноградные Садовые Рисовые Чайные. Геохимическим результатом антропогенного преобразования является увеличение разброса в почвах средних содержаний большинства химических элементов. При этом концентрации Си, Р, Cr, Mo, Ni преимущественно возрастают, а Мп и: Be снижаются.
4. Уровень ш динамика концентраций микроэлементов в почвах (в течение последних десятилетий) свидетельствуют о значительном обогащении? ландшафтов Северного Кавказа Ni, Zn, Си, Cr, Pb и в меньшей степени Sn, Mo, V. В! результате, с позиций современного экологического нормирования, почвы всех ландшафтов региона! характеризуются умеренным загрязнением, но более всего загрязнены почвы агроландшафтов с интенсивными сельхозтехнологиями (особенно Краснодарского края), а также районов вокруг горнопромышленных предприятий и населенных пунктов.
5. Учитывая, что горные породы ( являются f наиболее консервативным ландшафтообразующим фактором? на протяжении четвертичного периода (в отличие от растительного покрова, класса водной? миграции, рельефа), литогеохимические особенности обусловили региональный фон многих химических элементов: повышенный - W, Sn, Pb, Ш, Ті; пониженный - Ga, Y, Yb, Zr; субкларковый - Ag, Sr, P. Вулканическая деятельность в исторический І период привела к обогащению ландшафтов Ni, Со, Cr, V, Sc, Мп. Рудная специализация Северного Кавказа и ее эксплуатация человеком/ повлияли на повышение концентраций W, Mo, Sn, Си, Zn, Pb.
6. Фоновая геохимическая дифференциация почв ландшафтов Северного Кавказа І изменяется от 1,6 раза для Li, до 7,1 раза для Си, что не позволяет эффективно использовать ПДК в природоохранных целях. Критериями регионального» и локального экосистемного нормирования должны» быть,, фоновые параметры распределения микроэлементов в; ландшафтах, а интегральной характеристикой коэффициенты индивидуальности; рассчитанные относительно регионального кларка. Это позволит значительно расширить, перечень контролируемых химических элементов и при определении степени деформации геохимического спектра почв, учесть отклонения как в область повышенных, так и пониженных значений.
Практическое значение работы. Полученные результаты могут быть использованы в экологическом нормировании, при планировании природоохранных мероприятий, выявлении загрязнения, проведении геоэкологического мониторинга, поисках месторождений полезных ископаемых геохимическими методами, экспертных оценках различных хозяйственных проектов, составлении кадастра земель и в других областях, касающихся рационального использования и охраны природных ресурсов.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всесоюзной конференции «Геохимия ландшафта» (Новороссийск, 1986) и Всесоюзной школе-семинаре «Теория и практика геохимических поисков» (Ужгород, 1988), на заседании сектора геохимии ландшафта в ИГЕМе РАН (1993; 2003), на международных совещаниях «Аэрокосмические методы при геоэкологическом картографировании и ведении мониторинга геологической среды» (Москва, 1993), «Методы и оборудование для охраны окружающей среды» (Санкт-Петербург, 1995), «Геохимия биосферы» (Новороссийск, 1994, 1999); на международном симпозиуме «Геохимические барьеры в зоне гипергенеза» (Москва, 1999); на международных конференциях «Устойчивое развитие горных территорий» (Владикавказ, 1998), «Экологическая геофизика и геохимия» (Дубна, 1998), «Освоение недр и экологические проблемы - взгляд в XXI век» (Москва, 2000), «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Москва, 2002, 2003); на научной конференции по монтологии «Состояние и развитие горных систем» (Санкт-Петербург, 2002); на Всероссийской; научно-практической конференции «Техносферная безопасность» (Туапсе, 2002, 2003) и других региональных и межвузовских конференциях и совещаниях. По теме диссертации опубликовано более 50 научных работ, учебное пособие, две монографии, изданы 2 карты и атлас.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, выводов и списка литературы. Содержание работы изложено на 326 страницах • машинописного текста, включая 44 таблицы, 47 рисунков. Список литературы содержит 233 наименования.
Автор благодарит за научную поддержку и ценные консультации профессора В.В. Добровольского и профессора А.Е. Воробьева, а также коллектив сектора геохимии ландшафта ИГЕМа РАН и глубоко признателен директору НПИ проф. Ю.Л. Юрову за помощь и создание условий для написания диссертации. Автор выражает благодарность друзьям и коллегам, сотрудникам Научно-исследовательского института геохимии биосферы, а раньше группы геохимии ландшафта на геолого-географическом факультете Ростовского государственного университета О.Е. Клепферу, А.В. Коблякову,
В .А. Личкановскомуі, В.Е. Мелентьеву, Ю.А. Малыхину, В.Н. Серикову, Н.Г. Синюшину, Д.Ю. Шишкиной и другим, на различных этапах принимавшим участие в проведении полевых работ и исследований, положенных в основу данной диссертации, а так же директору НИИГБ РГУ профессору В. А. Алексеенко.
Техногенное преобразование ландшафтов
Оценивая химизм почвенных растворов в естественных ландшафтах региона, в целом следует отметить, что обстановка в почвах (за исключением болот) окислительная; рН изменяется от слабокислого до слабощелочного и увеличивается с появлением в почвообразующих породах карбонатных отложений, а доминирующим: является гидрокарбонатно-кальциевый класс водной миграции.
Минерализация почвенных растворов, как правило, невелика — от 0,033 % в почвах ландшафтов скально-осыпной растительности и 0,045 % в почвах биогенных альпийских лугов, до 0,062 % в; почвах техногенных альпийских лугов и 0,064 % в пашнях. Слабозасоленными являются только почвы пастбищ на полупустынях и некоторых степях - 0,1-0,4 %, а также илы болот — 0,1-0,5 %. Наименьшим количеством водорастворимых веществ отличаются почвы, образовавшиеся на магматических и метаморфических породах -0,041 %, максимальным — на карбонатных отложениях - 0,076 % и рыхлых аллювиально-морских - 0,095 %. Почвы, образовавшиеся на терригенных породах, характеризуются промежуточными значениями минерализации почвенных растворов - 0,055 %. 2.2 Техногенное преобразование ландшафтов
Наиболее масштабным фактором преобразования природных ландшафтов Северного Кавказа является:сельское хозяйство. Поэтому среди техногенных ландшафтов региона доминируют агроландшафты, которые с учетом особенностей природопользования разделены на полеводческие и животноводческие (Алексеенко, 1989).
Одним из основных видов природопользования на Северном Кавказе является интенсивный выпас скота; на основании которого выделено 37 животноводческих ландшафтов. Распространенность ландшафтов пастбищ и сенокосов возрастает с запада на восток, по мере уменьшения облесенности территории. Они занимают от 3-5 % площади в Краснодарском крае, до 40-50 % площади в Дагестане (а в горной части до 60 % площади).
Как на равнине, так ив горной части; последствия интенсивного выпаса скота приводят к сходным результатам в плане сбитости почв и изменения видового состава растительного покрова, но в горной части пастбищная дигрессия усугубляется усилением механической миграции в виде плоскостного смыва и линейного стока, образования осыпей, а в равнинной - в виде ветровой эрозии.
По нашим наблюдениям достаточно четко выделяются пять стадий пастбищной дигрессии (Дьяченко, 1996).
Первая стадия - это стадия неуверенного определения наличия выпаса скота. Отмечается лишь некоторая объеденность растительного покрова, следы частого пребывания животных (кал,, лежки и т.д.). Эти признаки не свидетельствуют о регулярном антропогенном выпасе и характерны также для естественного выпаса копытных.
Вторая стадия характеризуется значительной объеденностью растительного покрова (часто как подстриженный газон) с торчащими единичными несъедобными сорными растениями. Кроме того, наметились тропинки, отмечающие наиболее распространенные маршруты перемещения животных.
Третья: стадия характеризуется террасированностью склонов(ступенчатые склоны, высота ступеней 0,5-1м), сбитой растительностью, ее отсутствием на скотоперегонных тропинках, большим количеством сорняков, уплотненностью почвенного покрова, усилением поверхностного стока.
Четвертая стадия» характеризует крайнюю степень пастбищной дигрессии и по-разному проявляется в зависимости от крутизны склонов. Сравнительно пологие, редко встречающиеся участки крутизной до 10-15 %, чаще всего занимаются кошарами- или становищами. Как правило, представляют собой выгоны, где собирают скот на ночь, для дойки, прививок и т.д. Растительность здесь почтив полностью утрачена, кроме отдельных сорняков, верхний почвенный горизонт уплотнен, инфильтрация практически отсутствует, при незначительном увлажнении образуется грязь,, во многом состоящая из кала животных.
На более крутых склонах идет процесс углубления скотоперегонных троп, которые прорезают почвенный покров вплоть до коренных почвоподстилающих пород. Это приводит к увеличению расстояния между отдельными тропинками-ступеньками вследствие их оползания вниз по склону, нарушению сплошного почвенного покрова, увеличению интенсивности механической миграции и водной эрозии, замены естественной растительности на сорную.
Последней стадией пастбищной дигрессии является разрушение почвенного покрова, образование осыпей, обнажений коренных пород и опустыненных ландшафтов, а в равнинной части - усиление дефляции. Уровень деградации горных пастбищ по региону неодинаков и часто усиливается развитой системой отгонного животноводства, когда человек пасет скот не там, где живет, а зачастую, год от года, в разных местах, что существенно снижает уровень ответственности.
В целом к пастбищам 1-й и 2-й стадий дигрессии, характеризующих отсутствие или умеренный выпас среди техногенных ландшафтов пастбищ,можно отнести менее 50 % площади, а среди биогенных (альпийские и субальпийские луга, скально-осыпная растительность) более 85 %.К пастбищам 3-й и 4-й стадий дигрессии среди техногенных ландшафтов можно отнести 43 % площади пастбищ, а среди биогенных 14 % площади.
Наконец среди техногенных ландшафтов пастбищ к полностью деградированным следует, отнести около 7 % их площади, а среди биогенных не более 1%. Этой оценке близки данные, опубликованные в сборнике "Растительные ресурсы" (1984), где площадь эродированных сильно тропинчатых и сбитых пастбищ оценивается в 60 %. В последние годы складывается парадоксальная ситуация. Нагрузка на пастбища снижается, а их продуктивность продолжает падать (Вагин, Гриднев, 1998; Албегов, 1998). Это свидетельствует о глубине пастбищной дигрессии и необходимости выработки специальных мер.
В наибольшей степени пастбищной дигрессии подвержены ландшафты Дагестана (рис. 2.4), где уровень деградированных пастбищ в два раза выше, чем в других регионах. В связи, с одной стороны, с усилением континентальности климата и повышением высотной границы распространенности различных растительных сообществ (вследствие чего нивальные ландшафты практически отсутствуют), а с другой стороны, вследствие увеличения площади пастбищ за счет сведения лесов животноводческие ландшафты занимают более 70 % площади Дагестана.
Техногенная нагрузка за счет высокой насыщенности становищами (в некоторых долинах через 1-2 км), практически отсутствия заповедников, заказников, сравнительно высокой заселенности высокогорий распределена достаточно равномерно. То есть уровень нарушенности естественного облика ландшафтов примерно, одинаков, только кое-где усиливается аридностью климата. В качестве наименее подверженных пастбищной дигрессии ландшафтов можно привести верховья рек Метлуда и Тлейсерух (Чародинский заказник).
Природные факторы и закономерности геохимической дифференциации ландшафтов
Закономерности миграции химических элементов, установленные в предыдущей главе; были выявлены на: основе анализа наиболее распространенных геохимических ландшафтов Северного Кавказа. Для подтверждения, значимости этих; закономерностей для всего региона и выявления механизма; их реализации рассмотрим влияние на миграцию химических элементов конкретных ландшафтообразующих факторов: В связи с этим основным: методом: анализа является ландшафтный подход. Он заключается в, расчете и дальнейшем сравнении средних, содержаний химических элементов для . групп; ландшафтов, объединенных с учетом - одного из классификационных признаков,, затем другого и т.д. Причем; расчет производится с использованием средних значений:для ландшафтов, а не на основе объединения: массивов проб из всех ландшафтов. В последнем случае среднее содержание в группах во многом определялось бы ландшафтами с большим количеством проб, а не таксономическим параметром.
Сравнительный анализ полученных таким образом значений позволяет установить наиболее общие, масштабные закономерности перераспределения химических элементов в: почвах, характерные для; большинства ландшафтов региона. Однако, если существенных различий между отдельными группами не выявлено, это еще не означает отсутствие влияния рассматриваемого фактора на перераспределение химических элементов и необходимо обратить внимание на коэффициент вариации. Его большая величина (более 20-30 %) свидетельствует о значительном; разбросе средних значений, что является следствием- влияния- и других ландшафтно-геохимических факторов. В этом: случае можно прибегнуть к другим- методам: анализа.. Например, сравнить конкретные ландшафты, отличающиеся только одним фактором миграции или использовать так называемые двойные пробы (пробы, взятые в двух различных ландшафтах, отличающихся только одним; таксономическим признаком, и расположенные недалеко друг от друга).3.2.1 Геохимическая специфика ландшафтов с различным растительным покровом Природные ландшафты региона представлены семью основными группами (подробней раздел 2.2.): скально-осыпной растительностью, альпийскими лугами, хвойными, смешанными и лиственными лесами, степями и болотами. Анализируя табл.3.4, можно отметить, что естественные ландшафты региона более всего отличаются по концентрации Sr (в 1,90 раза), Be (в 1,63 раза), Мо и Ni (в 1,56 раза), W (в 1,50 раза), Мп (в 1,47 раза) и менее всего по концентрации Ga, Y, Li (в 1,10 раза).
Невысокие коэффициенты вариации свидетельствуют об- объективности приведенных расчетов. Повышенными коэффициентами вариации (более 30%) отличаются только Sr и Zn. В обоих случаях это связано с почвообразующими породами. Стронцием обогащено большинство ландшафтов с карбонатными горными породами, цинком - с терригенными и терригенно-вулканогенными породами юрского периода. Неодинаковая-распространенность ландшафтов с этими почвообразующими комплексами приводит к увеличению разброса значений в некоторых выборках, поэтому к оценке контрастности их миграции как следствия влияния только биогенных факторов следует относиться осторожно. Кроме того, наибольшие концентрации стронция, обнаруженные в илах приморских болот, имеют во многом морское происхождение. В связи с этим представляется более существенным большой разброс содержаний бериллия, которые плавно уменьшаются от самых высокогорных ландшафтов скально-осыпной растительности до приморских болот. В какой-то степени это может быть связано с накоплением бериллия многими цветковыми растениями (Войткевич, 1976), наибольшее влияние которых проявляется в биогеохимическом круговороте субальпийских и альпийских лугов, а также скально-осыпной растительности. Аналогично бериллию изменение концентрации иттербия.
Среди природных ландшафтов экстремальностью средних содержаний химических элементов выделяются болота — 9 элементов имеют повышенные концентрации и 7 пониженные (всего 16). За ними следуют хвойные леса- 12 пониженных и 2 повышенных (всего 14). Далее с заметным отставанием идут скально-осыпная растительность — 1 и 5 соответственно (всего 6), лиственные и смешанные леса (относительно повышенные концентрации семи и пяти химических элементов соответственно). Почвы альпийских лугов и степей отличаются незначительно пониженными концентрациями нескольких элементов.
Таким образом, наиболее контрастным распределением химических элементов выделяются болота и хвойные леса.. По особенностям биогеохимического круговорота и химизму почвенных растворов, а как следствие и по концентрации многих химических элементов, они являются, антиподами. В болотах восстановительная глеевая обстановка — в хвойных лесах окислительная. В І болотах щелочная среда - в хвойных лесах кислая. В болотах типоморфные компоненты Na и СГ—в хвойных лесах ведущие Са и НСОз". Почвы болот слабозасоленные, а минерализация почвенных растворов хвойных лесов одна из самых низких. Почвы болот характеризуются тяжелым мехсоставом, обогащенностью органикой і и большой сорбционной емкостью, почвы хвойных лесов легким мехсоставом и т.д. В результате эти ландшафты, среди биогенных, фактически определяют в регионе интервал колебаний средних содержаний многих химических элементов и особенно катионов, миграция которых зависит от рН среды - Си, Zn, РЬ, Ni, Ga, Р (концентрация максимальна в почвах болот, а минимальна в почвах хвойных лесов), а также Ва и Y (повышенная концентрация в почвах хвойных лесов).
Такое контрастное распределение является результатом взаимодействия широкого круга факторов, во многом порождаемых различиями в составе растительного покрова и спецификой природных условий, к которым приурочены эти растительные сообщества. Более определенно влияние растительного покрова прослеживается на содержании химических элементов в почвах различных лесов. Например, с изменением их видового состава от хвойных к смешанным и лиственным последовательно увеличивается концентрация Zn; Pb, Mo;.W,Ti,: V, Ga, Ge, Р, Li, Zr, а уменьшается Ва (рис. 3.9). Близко к отмеченной закономерности изменение концентраций Си, Cr, Yb.
Взаимосвязь содержаний химических элементов с видовым составом лесов отмечалась ранее для Западного и Восточного Кавказа (Дьяченко, 1996, 1998) и могла бы проявиться значительно ярче, если бы не специфический состав почвообразующих пород под смешанными лесами. Здесь широко распространены терригенно-вулканогенные и метаморфические отложения, "имеющие в своем составе основные породы, обогащенные Со, Ni,.Gr, Mm В целом почвы, хвойных лесов по сравнению со смешанными, и особенно лиственными обеднены двадцатью химическими элементами из двадцати пяти. И поскольку эти леса в той же последовательности сменяют друг друга по мере снижения абсолютных отметок и, часто на одном склоне, это приводит к увеличению концентраций химических элементов в почвах нижней части склона.
Но в тех случаях, когда склон: заканчивается хвойным лесом, а выше находятся горно-луговые ландшафты и скально-осыпная растительность, как это бывает в высокогорье, концентрация большинства химических элементов (за исключением серебра, бария,- кобальта, марганца, иттрия) в нижней части склона будет минимальна. Таким1 образом, распределение химических элементов в. почвах катены зависит от набора сопряженных ландшафтов, и может изменяться; на прямо противоположное. А одним из определяющих факторов является расположение в каскадной системе хвойных лесов. В связи с этим отмеченное ранее повышение концентраций некоторых химических элементов (Со, Mn, Ag, Ni и менее значительное Sn, Си, Cr, Sc, Nb) в почвах сопряженных с НИМИ смешанных лесов может быть связано с интенсивным выносом; химических элементов из ландшафтов хвойных лесов в гипсометрически нижерасположенные ландшафты и обусловлено особенностями их биогеохимического круговорота.
Зольность прироста хвойных деревьев (1,5-2,5 %) и самой хвои (2,0-3,5 %) значительно меньше, чем зольность прироста лиственных деревьев (2,6-3,5 %) и листьев (5-8 %). Однако гораздо важней то, что в хвое большую роль играет кремнезем и меньшую кальций. Клеточный сок хвои содержит свободные органические кислоты, его рН составляет 4,5-6,5 единиц. Химический состав многих травянистых растений в хвойных лесах также кислый (Перельман, 1975). Кроме того, лиственные и хвойные леса характеризуются различными: рядами потребления и возврата макроэлементов (подробней раздел 2), поэтому в опаде хвойных лесов органические соединения значительно превышают
Аномалии и повышенные содержания химических элементов в почвах и роль геохимических барьеров в их формировании
Результатом исследования закономерностей миграции химических элементов в ландшафтах Северного Кавказа стало не только установление фоновых параметров их распределения и региональных кларков, но. и выявление геохимических аномалий и зон повышенной и пониженной концентраций (Инструкция по ..., 1983; Алексеенко, 1989). Для повышения степени значимости и достоверности, выявленных аномальных геохимических структур рассмотрим только те, что группируются в аномальные участки. Под последними будем понимать комплексные аномалии, образованные не менее чем тремя химическими элементами при условии, что границы участка включают только части аномалий, образованные двумя и более химическими элементами. Таких аномальных участков на территории Северного Кавказа выделено 15 (рис. 4.6). По особенностям локализации и генезиса их можно разделить на аномальные участки, преимущественно развитые в природных и техногенных ландшафтах. Аномальные участки в природных ландшафтах в свою очередь также можно разделить на несколько групп. 1. Сформировавшиеся вследствие геохимической неоднородности или мозаичности почвообразующих горных пород. 2. Образовавшиеся в результате загрязнения. 3; Смешанного генезиса. Самые крупные аномальные участки первой группы; выявлены в зоне Передового хребта,, на территории Краснодарского края и Карачаево-Черкессии. Формирование аномалий обусловлено мозаичностью и геохимическим своеобразием почвообразующих комплексов. Поэтому аномальные участки образованы двумя ассоциациями элементов — 3BC%IUOPE Pb Ni Mo Sn Y Be,Ag,Zn V,Sn,Y,P Be, Pb, Co, 1 і Темрюк =4 . полиметаллами, многочисленные рудопроявления и зоны минерализации которых здесь имеются, а также элементами группы железа (никель, хром, кобальт), связанными с выходами основных ш ультраосновных пород. К этой группе природных аномалий относятся и участки, связанные с известными? рудными объектами различной специализации — Кти-Тебердой (W, Мо, Си, Мп, Ni, Со, Ті), Кызыл-Дере (Zn, Pb, Со, Ni) и другими..
Наиболее ярким представителем второй группы является рассмотренный выше аномальный, участок южнее города Владикавказа (Дьяченко, Личкановский, 1991). Его формирование обусловлено деятельностью предприятий горнопромышленного, металлургического ш машиностроительного комплекса (Дьяченко, 1999) — «Электроцинк», «Победит» и т.д., о чем свидетельствует элементный состав аномалий (Zn, Pb, Ag, Cd, W, Mo), тесно связанный с перерабатываемыми = здесь полиметаллическими и вольфрам-молибденовыми рудными концентратами. К аномальным участкам смешанного генезиса следует отнести долину реки Баксан и горную часть Северной Осетии. Многолетняя разработка находящихся здесь редкометальных и полиметаллических месторождений привела к значительному загрязнению окружающей среды и расширению площади и элементного состава природных аномальных геохимических структур. Аномальные участки в техногенных ландшафтах наиболее широко развиты в западной части Северного Кавказа; Ранее проведенный анализ особенностей использующихся: здесь видов природопользования свидетельствует Об их геохимической специфике и об усилении обогащения почв микроэлементами в зоне интенсивного земледелия (осушаемые, орошаемые и периодически заливаемые ландшафты, сады, виноградники). Причем интенсивность этих аномалий заметно зависит не только от специфических ландшафтно-геохимических условий, но и от интенсивности поступления химических элементов. Поэтому наиболее масштабные, контрастные и образованные большим количеством элементов аномальные участки в этих районах обнаружены около расположенных здесь городов Анапа, Новороссийск, Славянск-на-Кубани, Краснодар (Be, Ag, Си, Zn, Ni, Co, Cr, Mn, Mo, Ba, P, Sr, As). Аномалии, выявленные в зоне возделывания богарных однолетних культур - северней Краснодара (Sn, Р, Y) и Майкопа (Be, Pb, Со, Мп), в районе Невинномысска (Cr, Ni, Мп, Zn), характеризуются значительно меньшей контрастностью, площадью и количеством образующих микроэлементов. Такая приуроченность аномалий к крупным населенным пунктам обусловлена высокой степенью их техногенной трансформации и концентрацией объектов, влияющих на состояние окружающей среды. Результаты оценки состояния некоторых городов Северного Кавказа (Малыхин, Дьяченко, 2003) свидетельствуют о значительном загрязнении их почв рядом микроэлементов, что выявляется как при сравнении с ПДК через Zc (рис. 4.7), так и с региональными кларками (рис. 4.8). населенных пунктов, геохимических особенностей и разнообразия находящихся в них промышленных предприятий. Поэтому, более высокой загрязненностью характеризуются Краснодар и Таганрог. Это становится очевидным и при сравнении городов находящихся в аналогичных природных условиях - Новороссийска и Геленджика. Промышленный Новороссийск значительно загрязненней. a). 7,0 6,0 5,0 Таганрог
Установление химических элементов, параметры распределения которых, могут быть использованы в экологическом нормировании
Критериям использования результатов регионального опробования и картографирования в целях экологического нормирования отвечают результаты определений не всех рассмотренных химических элементов. В процессе исследований в пробах почв анализировалось содержание 35. Однако процент обнаружения Bi, As, Sb, Gd был значительно меньше 50 %, a Se, Cs, La, Hf, Та,ТІ не были обнаружены ни в одной пробе (чувствительность анализа приведена в табл. 1.1).
Концентрации W, Sr, Ge, в почвах Северного Кавказа, как правило, находятся на уровне чувствительности анализа, а в этом случае точность определения заметно снижается. Кроме того, почвы отдельных ландшафтов более других накапливают вольфрам, поэтому процент его обнаружения и концентрация могут колебаться в широких пределах, а процент обнаружения изменяется от 50 до 100 % различных частях региона. Так, например, частота обнаружения вольфрама увеличивается от 60-70 % в почвах Краснодарского края до 70-90 % в почвах Карачаево-Черкессии и практически 100 % в Кабардино-Балкарии. А далее на восток вновь постепенно снижается до 60-80 % в почвах Дагестана. В связи с этим необходимо обращать внимание на величину средней концентрации химического элемента. Если она близка чувствительности анализа, уровень ошибки этой величины может быть выше заявленной.
Ряд химических элементов, таких как, Y, Yb, Nb, Sc, Be, Zr определялся, не во всех пробах, взятых в горной части Карачаево-Черкессии и Кабардино-Балкарии. Поэтому в одних ландшафтах из этих регионов статистические параметры их распределения отсутствуют, а в других они определены для меньшего количества проб.
Концентрации большинства химических элементов определялись во всех пробах, имеют стопроцентное обнаружение в почвах Северного Кавказа. Уровень их фоновых концентраций не приближается к пределам чувствительности анализа, а все ландшафты опробованы равномерно, во всех частях региона, в соответствии с их распространенностью. Все это позволяет рекомендовать их параметры распределения для использования в экологическом, нормировании.5.3 Практическое использование результатов ландшафтно-геохимических исследований в экологическом нормировании
Методологической основой использования предлагаемых показателей является идентификация ландшафтно-геохимических особенностей рассматриваемого участка с его региональными аналогами и сравнение показателей его экологического состояния с нормированными характеристиками. При проведении мониторинга больших территорий для комплексной оценки целесообразно использовать принципы, предложенные В.В. Добровольским (1999). При мониторинге небольших участков или точечном опробовании в случае отклонения параметров, определенных в контрольных пробах или замерах от фонового значения, дальнейший; порядок действий зависит от степени отклонения концентрации в контрольной пробе от нормы (фона), для чего можно использовать несколько уровней аномальности, - Сас,, Са2, Саь Эти величины широко используются в геохимии (Инструкция..., 1983; Перельман, Касимов, 1999), биологии, экологии и других науках для вероятностной оценки, рассеяния различных значений вокруг среднего.
Величина Сад называется минимально-аномальным значением и определяется по формуле - Са9= X + S (где Х-среднее значение, a S-среднеквадратичное отклонение) при нормальном законе распределения и по формуле - Са9= Сф Е (где Сф — фоновое значение, а Е - безразмерная величина, равная antlg(S)) при логнормальном распределении. Са2 рассчитывается для двух коррелирующих проб и определяется по формулам -Са2=Х + 2S и Са2=Сф Е . Соответственно Cai рассчитывается для единичной пробы по формулам - Cai=X + 3S и Саі=Сф Е3.
Таким образом,, значение Cai характеризует самый высокий уровень аномальности или, иначе говоря, очень высокую концентрацию химического элемента в пробе, которая требует особого внимания. Значение Сад — самое низкое содержание начиная с которого проба может считаться аномальной, но статистически достоверной только при наличии рядом еще восьми проб с таким уровнем концентрации либо меньшего количества проб, но с более высокимуровнем аномальности - Cai или Саг. В принципе можно рассчитать аномальные значенияи для восьми коррелирующих проб и для семи и т.д. Они будут несколько выше Са9, но ниже Саг- Иногда; особенно при использовании результатов полуколичественного спектрального анализа, это позволяет выделить аномалии при небольшом количестве проб и невысоком уровне аномальности. Данные параметры можно использовать и при выявлении аномально низких содержаний химических элементов в почвах.
В качестве примера использования этих значений можно привести следующий порядок их применения. Обнаружение хотя бы в одной пробе концентраций равных или превышающих величину Cai должно повлечь повторный анализ, а при подтверждении - работы (за счет землепользователя или виновника загрязнения) по установлению причин, масштабов нанесенного ущерба, применение санкций и т.д. (иногда и рекультивации земель).
Концентрации, равные или превышающие величину Саг, характеризуют среднюю степень отклонения от фона. И служат основанием для принятия тех же мер, в случае, если таких проб на рассматриваемом участке не менее 2-3.
Наконец, обнаружение в контрольных пробах концентраций равных или превышающих величину Са9 может служить основанием для установления нанесенного ущерба и применения санкций в случае, если таких проб не менее 9 или. меньшее количество, когда есть пробы более высокого уровня аномальности (Са8, Са7, Саб и т.д.).
Кроме того, в случае обнаружения контрастных аномалий одного или нескольких химических элементов необходимо произвести анализы на большее количество элементов (до 40-50) и в дальнейшем от экспрессных сравнительно дешевых методов анализа перейти і на более точные, результаты которых могут быть использованы: в суде или арбитражных спорах. После установления; перечня химических элементов, концентрации которых превышают допустимые для этого ландшафта значения, следует определить долю содержания этих элементов в подвижной форме, т.е. оценить токсичность и соотнести с санитарно-гигиеническими показателями.
В случае, если результаты контрольного обследования и опробования выявили аномальные пробы, но их характеристика и уровень контрастности не соответствуют вышеприведенным, можно ограничиться штрафом, составлением протокола, указанием на несоблюдение санитарно-гигиенических норм и технологий или другими мерами, в зависимости от масштабов ущерба и токсичности агентов загрязнения.
Процедуры обследования земель необходимо проводить, не только при регулярном мониторинге или в чрезвычайных ситуациях, но и всякий раз при смене владельца земли или землепользователя. В результате за счет средств
