Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Объект и методы исследования 11
1.1. Объект исследования 11
1.1.1. Функциональное зонирование 11
1.1.2. Техногенное воздействие в Москве и Восточном округе 12
1.1.3. Климат 14
1.1.4. Рельеф и геоморфологические условия 18
1.1.5. Растительность 20
1.1.6. Почвы, почвенный покров и элементарные ландшафты 21
1.1.7. Ландшафтно-функциональная структура территории 27
1.2. Методы исследования 30
1.2.1. Полевые работы 30
1.2.2. Лабораторные исследования 32
1.2.3. Обработка данных 35
ГЛАВА 2. Геохимический анализ снежного покрова 41
2.1. Геохимический фон снега 42
2.2. Геохимия снежного покрова
2.2.1. Общие физико-химические свойства снега 45
2.2.2. Содержание и выпадения поллютантов 48
2.2.3. Ассоциации тяжелых металлов и металлоидов в снеговой пыли 50
2.2.4. Суммарное загрязнение и техногенная нагрузка 52
2.3. Геохимическое районирование снежного покрова 55
ГЛАВА 3. Геохимия дорожной пыли 59
3.1. Физико-химические свойства дорожной пыли 60
3.2. Тяжелые металлы и металлоиды в гранулометрических фракциях дорожной пыли... 62
3.2.1. Дорожная пыль - аккумулятор тяжелых металлов и металлоидов 62
3.2.3. Ассоциации поллютантов во фракциях дорожной пыли 69
ГЛАВА 4. Тяжелые металлы и металлоиды в городских почвах 72
4.1. Почвенно-геохимический фон 73
4.2. Геохимическая трансформация свойств почв
4.2.1. Общие физико-химические свойства почв 74
4.2.2. Тяжелые металлы и металлоиды в поверхностном горизонте почв 75
4.2.3. Катенарная геохимическая структура почвенного покрова 80
4.2.4. Педогеохимические барьеры 92
4.2.5. Фракционный состав тяжелых металлов и металлоидов в почвах 98
ГЛАВА 5. Биогеохимическая трансформация городской растительности 106
5.1. Биогеохимический фон 107
5.2. Техногенная биогеохимическая специализация городских ландшафтов 108
5.2.1. Тяжелые металлы и металлоиды в листьях городских растений 108
5.2.2. Эссенциальные и токсичные элементы 113
5.2.3. Пространственная структура загрязнения и трансформации химического состава растений 114
ГЛАВА 6. Интегральная эколого-геохимическая оценка городских ландшафтов 118
6.1. Геохимическая специализация компонентов городских ландшафтов 118
6.2. Пространственно-генетический анализ эколого-геохимического состояния ландшафтов функциональных зон 1 6.2.1. Суммарное загрязнение компонентов городских ландшафтов тяжелыми металлами и металлоидами 121
6.2.2. Типология геохимических аномалий тяжелых металлов и металлоидов в снеге, почвах и растениях 122
Заключение 126
Список литературы
- Техногенное воздействие в Москве и Восточном округе
- Общие физико-химические свойства снега
- Дорожная пыль - аккумулятор тяжелых металлов и металлоидов
- Тяжелые металлы и металлоиды в поверхностном горизонте почв
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время половина населения планеты проживает в городах. Наиболее сильно техногенное воздействие на природную среду и население проявляется в промышленных городах, которые по интенсивности загрязнения и площади аномалий поллютантов представляют техногенные геохимические и биогеохимические провинции широкого круга химических элементов (Геохимия..., 1990; Экогеохимия..., 1995; Mapping..., 2011). Одними из наиболее опасных с экологической точки зрения загрязнителями городских ландшафтов являются тяжелые металлы и металлоиды (ТМ). В Восточной части Москвы расположены десятки предприятий разных отраслей, которые наряду с транспортом являются источниками техногенного воздействия на городские ландшафты.
Комплексные геохимические исследования Восточной Москвы начаты в 1980-х гг. (Никифорова, Лазукова, 1991) и продолжаются до настоящего времени в южной части Восточного административного округа (ВАО) в муниципальных районах Соколиная гора, Перово, Ивановское, Новогиреево, Вешняки, Новоко-сино и Косино-Ухтомский. За 20-летний период накоплен значительный статистический материал и исследованы особенности миграции и многолетняя динамика накопления ТМ и их форм в разных компонентах ландшафтов и функциональных зонах округа (Никифорова, Кошелева, 2007; Никифорова и др., 2011; Кошелеваи др. 2011; Касимов и др., 2012, и др.).
Диссертационная работа - продолжение эколого-геохимического изучения ВАО как модельной городской территории с исследованием фракционного состава ТМ в почвах и дорожной пыли, катенарной геохимической структуры почвенного покрова, оценкой изменения емкости геохимических барьеров в результате трансформации свойств почв.
Цель и задачи. Цель работы - на основе теории и методологии геохимии ландшафта выполнить комплексный эколого-геохимический анализ городских ландшафтов ВАО. При этом решались следующие задачи: установить степень техногенной геохимической трансформации свойств и состава компонентов городских ландшафтов; выявить основные типы педогеохимических барьеров, изменение их емкости и катенарную геохимическую структуру почвенного покрова; определить фракционный состав ТМ в минеральных компонентах ландшаф-
тов (почвы, дорожная пыль); выявить пространственное распределение и оценить экологическую опасность геохимических аномалий ТМ в компонентах городских ландшафтов В АО.
Материалы и методы исследования. Методологическую основу исследования составили работы отечественных и зарубежных ученых в области геохимии ландшафта (А.И. Перельман, М.А. Глазовская, Н.С. Касимов и др.), экогеохимии городских ландшафтов (Ю.Е. Сает, Е.П. Сорокина, Н.С. Касимов, Е.М. Никифорова, Н.Е. Кошелева, М. Birke, U. Rauch и др.), геохимии снежного покрова и дорожной пыли (В.Н. Василенко, Н.Ф. Глазовский, М. Viklander, F. Amato и др.), географии, химии и геохимии почв (М.И. Герасимова, М.Н. Строганова, Т.В. Прокофьева, Г.В. Мотузова, A. Tessier, A. Kabata-Pendias и др.), биогеохимии (В.В. Добровольский, Р. Баргальи, А.Л. Ковалевский, И.А. Авессаломова и др.). Основой для написания диссертации послужили материалы, собранные в ходе зимнего (2010 г.) и нескольких летних (2010, 2011 и 2013 гг.) полевых сезонов с опробованием снега, почв, дорожной пыли, древесной и травянистой растительности. При обработке данных применялись геохимические, картографические, географические и статистические методы. Покомпонентный анализ позволил оценить эколого-геохимическое состояние городских ландшафтов в зимний (снег), летний (дорожная пыль, растительность) и многолетний периоды (почвы).
Научная новизна работы. В работе решена важная для геохимии ландшафтов задача - выполнен комплексный эколого-геохимический анализ распределения ТМ в городских ландшафтах на примере В АО. Впервые проанализировано накопление слабоизученных в геохимическом плане ТМ (Sb, As, Mo, Bi, Sn, W и др.) в почвенно-геохимических катенах различных функциональных зон ВАО, определены фракционный состав ТМ в городских почвах и дорожной пыли, уровни техногенной нагрузки на ландшафты, изменение емкости геохимических барьеров в результате трансформации свойств почв. Для изучения пространственного аспекта поведения ТМ проведены полимасштабные исследования загрязнения компонентов ландшафтов южной части ВАО (10и - п км), различий между функциональными зонами (п - 0,и км) и внутризональной дифференциации ТМ (мезокатены - 0,и км, микрокатены - 0,0и - 0,00« км). Для интегральной оценки соотношения токсичных и эссенциальных элементов в растениях предложено отношение (CdAsSbPb)/(CuMnMoZn). Комплексное сравнение гео-
химической специализации компонентов ландшафтов предложено отражать с помощью эколого-геохимического портрета. Выявлены различные типы техногенных геохимических аномалий ТМ в снеге, почвах и растениях.
Личный вклад соискателя. Автором проведено геохимическое опробование компонентов городских ландшафтов; выполнено определение рН, гранулометрического состава и органического углерода (Сорг) в почвах и дорожной пыли, мокрое озоление растительных образцов, выделение гранулометрических фракций дорожной пыли, статистическая обработка и обобщение полевых и лабораторных материалов, анализ литературных источников. Табличный и иллюстративный материал, если не отмечено иное, подготовлен автором. Достоверность полученных результатов основывается на большом количестве фактического материала (около 10 тыс. химико-аналитических определений), полученного в сертифицированных лабораториях современными методами. Результаты обсуждались в рецензируемых изданиях из перечня ВАК, на Международных и Всероссийских конференциях.
Положения, выносимые на защиту. 1. В сопряженных транзитных и депонирующих компонентах городских ландшафтов Восточного округа Москвы формируются техногенные атмогеохимические (Sb, Mo, Sn, Ag, W, As), педогео-химические (Sb, Cd, Zn, Pb, Fe, As) и смешанные (Cd, Sb, Pb, Mo) парагенезисы химических элементов. Sb является общим индикатором воздействия автотранспорта во всех компонентах.
-
Подщелачивание, увеличение содержания органического вещества и изменение гранулометрического состава городских почв усиливают контрастность техногенных аномалий ТМ на новообразованных педогеохимических барьерах, определяя до 45% валового содержания Pb, Bi, Ag, Си, As, Ni, Cd и до 30% - Zn, Be, W, Cr, V, Sb, Sr, Sn. Латеральная дифференциация ТМ в ландшафтах ВАО зависит от функциональной приуроченности и катенарного положения техногенных источников.
-
Техногенная трансформация городского ландшафта ведет к изменению фракционного состава ТМ в минеральных компонентах. В почвах наиболее контрастные техногенные аномалии ТМ характерны для гидроксидной, органической и карбонатной фракций, в дорожной пыли - в частицах ила, мелкой и средней пыли.
4. В зависимости от интенсивности выпадения ТМ, загрязнения почв и биогеохимической трансформации состава растений выделено восемь типов техногенных геохимических аномалий ТМ. Аномалии с очень опасной и чрезвычайно опасной экологической ситуацией формируются преимущественно на юго-востоке, северо-западе, северо-востоке и в центре территории в ландшафтах промышленной, транспортной и постагрогенной зон.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Работа выполнялась в рамках проекта «МЕГАПОЛИС» «Разработка технологии комплексного анализа временных серий наземных данных для оценки состояния и динамики изменения атмосферы и окружающей среды в крупных городах» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (договор № 2009-06/03); в рамках Программы развития МГУ (2011-1.5-515-047) по теме «Исследование качества городской среды и разработка научно-методических принципов эколо-го-географической оценки городов России на основе комплексного анализа состояния компонентов окружающей среды и здоровья населения»; грантов Русского географического общества («Экологические портреты городов России», договор № 38/08/2011; «Интегральная оценка экологического состояния регионов и городов России», договор № 05/2013-П1); Российского фонда фундаментальных исследований и Русского географического общества («Интегральная оценка и картографирование качества городской среды на основе анализа ланд-шафтно-геохимических данных», проект № 13-05-41191); Российского научного фонда («Пространственно-временной анализ миграции химических элементов и соединений в природных и антропогенных ландшафтах», проект № 14-27-00083). Материалы использовались в научных отчетах по проектам и включены в ряд учебных курсов кафедры геохимии ландшафтов и географии почв. Результаты могут быть использованы при крупномасштабном эколого-геохимическом мониторинге Восточного округа и как составная часть - при экологическом контроле состояния окружающей среды Москвы.
Апробация работы, публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 10 статей в журналах из перечня ВАК и 1 свидетельство о регистрации базы данных. Материалы представлены на пяти Международных, шести Всероссийских конференциях и Фестивале Русского географического об-
щества (Москва, 2014).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения, изложенных на 147 страницах печатного текста, содержит 48 рисунков, 32 таблицы и приложение на 13 страницах. Список литературы насчитывает 296 наименований, в том числе 123 на иностранных языках.
Техногенное воздействие в Москве и Восточном округе
На территории Москвы сходятся границы трех ботанико-географических районов Московской области: хвойно-широколиственные леса (еловые леса с сосной и дубом) с севера и северо-запада, боры и болота Мещерской низменности с востока и широколиственные леса с юга. Последние в Москве занимает наибольшую площадь, поэтому во многих крупных городских лесных массивах широколиственные породы и их насаждения играют заметную роль, преобладая над сажеными ельниками (Флора Москвы, 2007).
Лесные массивы и зеленые насаждения влияют на микроклимат территории: уменьшают скорость ветра, количество заморозков и осадков, понижают максимальные и повышают минимальные температуры в приземном слое воздуха, повышают давление с наветренной стороны и относительную влажность воздуха, понижают испарение с поверхности почвы и т.д. (Рекомендации..., 2006). Степень влияния определяется высотой насаждений, их длиной и шириной, густотой отдельных крон. Древесная растительность является фильтром и выступает в роли барьера на пути выпадения загрязняющих веществ.
Зеленый фонд Москвы представлен более чем 300 видами растений, но наиболее распространены 10-15. В линейных посадках и внутри дворов часто встречаются клены и липы (по 27%), реже - ясени (10%), тополя (8%), березы (6%) и вязы (5%), хвойных пород - около 3%. Среди кленов преобладают платановидный Acer platanoides и ясенелистный A. negundo; лип -мелколистная ТШа cordata и крупнолистная Т. platyphyllos; ясеней - пенсильванский Fraxinus pennsylvanica и обыкновенный F. excelsior; тополей - бальзамический Populus balsamifera, белый P. alba, дрожащий P. tremula; берез - повислая Betula pendula и пушистая В. pubescens; вязов - гладкий Ulmus laevis и шершавый U. glabra. Возраст половины древесно-кустарниковой растительности города составляет 20-40 лет (Видовой состав..., 2014; Доклад..., 2014).
В Москве на долю озелененных территорий приходится около 55% площади; более 20% всех зеленых насаждений города располагается в границах особо охраняемых природных территорий. В ВАО по сравнению с остальными административными округами доля озелененных территорий максимальна и составляет 17,2% (Доклад..., 2014). В южной части ВАО располагаются Терлецкий лесопарк, парки Перово и Кусково, а также рекреационные зоны озер Черное, Белое и Святое - Косинское Триозерье. В Кусковском парке исконные смешанные леса с преобладанием ели и с большой примесью сосны и широколиственных пород были сведены, в настоящее время среди древесных пород распространены береза повислая Betula pendula, клен платановидный Acer platanoides, липа европейская ТШа еигораеа, липа крупнолистная ТШа platyphyllos, тополь бальзамический Populus balsamifera, дуб черешчатый Quercus robur и др., среди кустарников - сирень обыкновенная Syringa vulgaris, спирея иволистная Spiraea salicifolia, боярышник черный Crataegus nigra, шиповник Rosa, бузина красная Sambucus racemosa, жимолость татарская Lonicera tatarica, малина обыкновенная Rubus idaeus и др. Напочвенный покров представлен в основном крапивой двудомной Urtica dioica, снытью обыкновенной Aegopodium podagraria, гравилатом городским Geum urbanum, овсяницей луговой Festuca pratensis, одуванчиком лекарственным Taraxacum officinale, манжеткой обыкновенной Alchemilla vulgaris и др.
Парк Перово почти полностью занят средневозрастными и местами молодыми посадками липы мелколистной, клена платановидного, каштана обыкновенного Aesculus hippocastanum, ясеня пенсильванского Fraxinus pennsylvanica, тополя бальзамического, клена ясенелистного Acer negundo и березы повислой; в тени распространены гравилат городской, одуванчик лекарственный, подорожник большой Plantago major, недотрога мелкоцветковая Impatiens parviflora.
В Терлецком лесопарке преобладают небольшие группы дуба черешчатого и липы мелколистной Tilia cordata, сравнительно много березы, среди кустарников - кизильник блестящий Cotoneaster lucidus, рябинник рябинолистный Sorbaria sorbifolia, вишня войлочная Prunus tomentosa, сирень венгерская Syringa josikaea, рябина обыкновенная Sorbus aucuparia, бузина, черемуха обыкновенная Prunus padus, лещина обыкновенная Corylus avellana, в напочвенном покрове - гравилат городской, сныть обыкновенная, осока волосистая Carex pilosa, чистяк весенний Ficaria verna, подорожник большой и др.
Южная часть рекреационной зоны озера Черное представлена песчаным берегом, занятым маленьким лесным массивом (сосна, береза) и луговинами. Северный берег - заболоченный, окружен березовым мелколесьем с осиной и ивами. К северо-западной части озера примыкает низинное болото с ивой белой Salix alba, рогозом широколистным Typha latifolia, тростником обыкновенным Phragmites australis. По краям Святого озера возникло верховое болото, заросшее сфагнумом, багульником болотным Ledum palustre и голубикой обыкновенной Vaccinium uliginosum. По характеру растительности Белое озеро сходно с Черным, с которым соединено протокой (Полякова, Гутников, 2000; Насимович, 2003).
Таким образом, участки лесной растительности сохранились в парках на севере (липово-дубовые леса) и в центре территории (березовые леса с примесью хвойных и широколиственных пород). Северо-запад территории практически лишен растительного покрова (промзоны), на остальной же части деревья встречаются в основном вдоль дорог и во дворах жилых домов.
Территория Москвы относится к Среднерусской провинции Восточно-Европейской суб -22 бореальной лесной области. В почвенном покрове фоновых районов доминируют дерново-подзолистые суглинистые почвы с контрастным текстурно-дифференцированным профилем (Герасимова, 2007). Естественные ненарушенные почвы в лесопарках Москвы занимают 48-60% площади (Мартыненко и др., 2008; Строганова и др., 2008).
Урбанизация и производственная деятельность человека в Москве становятся преобладающими над естественными факторами почвообразования, формируя в новых экологических условиях специфические группы почв и сложный почвенный покров. Характерными особенностями структуры почвенного покрова города являются мозаичность, горизонтальная и вертикальная неоднородность почвенного покрова как результат локальных антропогенных воздействий; фрагментарность распространения почвенного покрова, его прерывистость; искусственные границы между почвенными контурами и их геометрическая прямоугольная форма (Экологический атлас..., 2000). Городские почвы обладают рядом общих черт: материнская порода -насыпные, намывные или перемешанные грунты или культурный слой; включения мусора в верхних горизонтах; нейтральная или щелочная реакция; высокая загрязненность ТМ и нефтепродуктами; особые физико-механические свойства (пониженная влагоемкость, повышенная объемная масса; уплотненность, каменистость); рост профиля вверх за счет постоянного привнесения материала и интенсивного эолового напыления (Герасимова и др., 2003).
В результате техногенного воздействия изменяются физико-химические свойства почв: повышается рН, содержание органического вещества и легкорастворимых солей, емкость поглощения и доля физической глины, в результате чего формируются геохимические барьеры, на которых накапливаются различные формы ТМ (Моисеенков, 1989; Лепнева, Обухов, 1990; Пе-рельман, Касимов, 1999; Никифорова, 2002; Раппопорт, Строганова, 2004; Никифорова, Коше-лева, 2007; Строганова и др., 2008; Никифорова и др., 2014). В среднем для Москвы уровень загрязнения почвенного покрова ТМ очень высокий, изменяясь от высокого в парковых до чрезвычайно высокого в селитебный, селитебно-транспортных, парково-транспортных и промышленных зонах (рис. 1.5). По уровню суммарного загрязнения почв ТМ В АО занимает четвертое место среди административных округов после Центрального, Юго-Восточного и Северо-Восточного (Доклад..., 2014).
Общие физико-химические свойства снега
Величина рН талого снега изменяется от 4,5 до 8,0, подщелачивание снежного покрова относительно фоновых территорий составляет в среднем 0,4 единицы. Наиболее высокие значения рН приурочены к промышленным зонам, что связано с иммиссией карбонатной строительной пыли. Минерализация талой воды (в среднем 23 мг/л) в 4 раза выше фонового значения, увеличиваясь вдоль автомагистралей и в жилой зоне высокой этажности в 20-50 раз (табл. 2.2). На большей части территории снеговая вода относится к характерному для города хлорид-но-кальциевому классу (Еремина, Григорьев, 2010), что обусловлено применением в качестве антигололедных средств СаСЬ, NaCl, а также мраморной крошки (Систер, Корецкий, 2004; Никифорова и др., 2014). На юге территории встречаются воды сульфатно-кальциевого (воздействие ТЭЦ-22), нитратно-кальциевого (воздействие автотранспорта близ Новоухтомского ш. на юге и ш. Энтузиастов на севере) и хлоридно-натриевого классов (вблизи практически всех автодорог).
Наиболее сильно запылена территория промышленной (40 кг/км в сут.) и транспортной (55 кг/км в сут.) зон. Максимальная наблюдавшаяся суточная нагрузка пыли в кленово-березовой лесопосадке в 30 м от МКАД составила 213 кг/км , что в 21 раз выше фонового значения. В Рязанской области лесополосы также являются эффективными барьерами на пути пылевых щелочных компонентов (Кривцов и др., 2011).
Средняя за зимний период величина выпадений твердых частиц из атмосферы в Восточном округе (27 кг/км в сут.) в 2,3 раза ниже этого показателя в Юго-западном округе г. Москвы в октябре 2003 г. - январе 2004 г. (63 кг/км в сут.), в 1,9 раза выше потока пыли в ноябре-декабре 2003 г. в г. Томске - 14 кг/км в сут. (Шевченко, 2006), слабо отличаясь от величины пылевой нагрузки в г. Саранске - около 30 кг/км в сут. (Стульцев, 2002).
Отношения макрокомпонентов. В качестве интегрального коэффициента атмогеохими-ческого техногенного воздействия города применяют сулъфатно-хлоридный показатель К$о2 /сг -отношение SO4 7СГ (в мг-экв/литр) в снеговой воде к аналогичному отношению в морской воде (0,104). На отношение также влияет удаленность от морского побережья. Отношение сульфатов к хлоридам в атмосферных осадках и водах суши достигает 3-4 единиц, что связано с переходом в морские аэрозоли в основном сульфатов, а не хлоридов, которые остаются в морском растворе (Бруевич, Кулик, 1967). Сравнение данных о химическом составе снеговых вод в разных фоновых районах европейской территории России, Арктики и Дальнего Востока показало, что KS02-,cl- варьирует от 1,2 в снеге на Крайнем севере близ морских побережий до 2,6-4,3 в снеговой воде Московской и Самарской обл., а также в Приморье, до 7,5 в Ярославской обл. и 7,9 близ Звенигорода Московской обл. (Глазовский и др., 1983; Моисеен-ков, 1989; Елпатьевский, 1993; Caritat et al., 2005; Еремина, Григорьев, 2010).
Сульфатно-нитратный показатель KS02-,N0- позволяет выделить районы техногенного воздействия предприятий энергетики, работающих на мазуте, (увеличение доли сульфатов) от автотранспорта (нитратов). Увеличение содержания нитратов связано как с выбросами автотранспорта, так и с применением на автомагистралях твердых антигололедных средств на основе нитратов натрия, кальция, магния и мочевины (Систер, Корецкий, 2004). На территории южной части ВАО KS02-,N0- варьирует в широких пределах: от 0,8 в Кусковском парке до 3-4 в промзонах и жилой застройке разной этажности на северо-западе (выбросы ТЭЦ-11 и железнодорожного транспорта), и 200 - в сред невысотной застройке Новогиреево (выбросы ТЭЦ-11).
Более точным индикатором для выделения зон техногенного воздействия на территории городов служит Kso2 /cr- рассчитанный относительно фоновых проб, что позволяет «отсечь» загрязнение города в результате макрорегионального переноса SCb. Однако на территории южной части ВАО из-за относительного увеличения содержания хлоридов, применяемых в качест -47 ве антигололедных средств, показатель имеет пониженные значения: в южной части В АО KS02-,cl- варьирует от 0,1 в снеге автомагистралей и жилой застройки низкой этажности в северной части территории до 1,7 в жилой застройке средней этажности южной половины территории, что связано с применением хлоридных удобрений.
Для выявления степени трансформации вод используют также показатели KS02-,Na+, Kcr/Na+ KS02-,N0- (Caritat et al., 2005). Для Na, К и Mg преобладают континентальные источники (Кривцов и др., 2011), что влияет на величину соотношений, поэтому для них в качестве эталона сравнения также целесообразно использовать фоновые пробы снега вместо морской воды. Показатель KS02-,Na+na территории южной части В АО изменяется слабо и колеблется дифференциация коэффициента показывает неоднородность применения различных по составу антигололедных средств на территории округа - NaCl, CH3COONa, HCOONa, СаС12
Таким образом, пространственное распространение соотношений макрокомпонентов в снеговой воде на территории округа неравномерно и зависит от химического состава выпадающих выбросов промышленности и автотранспорта, а также от применения противогололедных средств. Соотношения целесообразно рассчитывать относительно фоновых проб снега вместо морской воды для минимизации влияния регионального переноса и вклада континентальных источников макрокомпонентов.
Коэффициенты концентрации металлов Кс в снеговой пыли довольно сильно варьируют из-за пространственной изменчивости ее состава (табл. 2.3). В группу элементов с высоким накоплением входит Мо (Кс= 19,1), а также Ag, Sb, As, W, Sn (6,3-3,6), менее активно накапливаются V, Fe, Cr, Sr, Ni, Cd, Co, Bi (Kc 3), содержание остальных металлов (Zn, Mn, Pb, Cu, Be, Ті) близко к фоновому. Элементный состав снеговой пыли во многом определяет специализация ее источников: для Мо, W, Cr, Cd, Sb, Ni, Со - это машиностроение и металлообработка; Cd, Ag, As, Cr, Co, V -химическая промышленность; Mo, V, Ni, W - энергетика; Mo, Cd - автотранспорт; Bi, Ag, Sn, Cd - сжигание твердых бытовых отходов (Геохимия.., 1990). Околофоновое содержание Pb в снеге можно объяснить его высоким фоновым уровнем (КК= 21), который обусловлен значительной урбанизацией всего Московского региона.
Дорожная пыль - аккумулятор тяжелых металлов и металлоидов
Наибольшие значения латеральной дифференциации (цифра - величина L) характерны для АзуТеуМозМгМпг в супераквальных ландшафтах, что связано с латеральной миграцией поллютантов, а также с выпадением в низовьях катен ТМ, поступающих с выбросами техногенных источников (рис. 4.5). В аквальных ландшафтах слабо накапливаются Fe, Мп и As (L=2). В почвах склонов большинство ТМ не накапливается, а выносится в нижележащие по катене ландшафты, лишь для Вей Mn L равняется 1,8 и 1,6.
Рекреационная зона. В автономных ландшафтах Кусковского парка, занятого преимущественно березово-кленовым лесом с большим количеством липы и примесью тополя с подорожником большим, копытнем европейским, крапивой двудомной, снытью обыкновенной, гравилатом городским в травяном ярусе, формируются типичные дерново-подзолистые сверхглу-бокоосветленные, в трансэлювиальных - типичные дерново-подзолистые глубокоосветленные, а в супераквальных - серо-гумусовые почвы под березово-кленовым лесом с единичными яблонями и тополями и с большим числом кустарников (боярышник, малина) с крапивой двудомной, подорожником большим, снытью обыкновенной, гравилатом городским, манжеткой обыкновенной, щавелем конским в травяном ярусе (приложение 1).
В дерново-подзолистых почвах автономного ландшафта и склона с увеличением глубины кислая реакция поверхностных горизонтов сменяется слабокислой в BEL (5,9) и вновь понижается до кислой (4,8) к низу. Гумусовый профиль поверхностно-аккумулятивного типа: Сорг максимально в верхних горизонтах (3,6%) и уменьшается с глубиной (0,2-0,3%). Содержание физической глины постепенно возрастает к низу профиля, достигая 60% в ВТ. В серо-гумусовых почвах поверхностный и погребенные гумусовые горизонты слабокислые с содержанием Сорг около 3%, остальные - кислые, Сорг около 0,1-0,3%. С глубиной содержание физической глины уменьшается с 20% в верхнем горизонте до 10% в BtC, погребенные горизонты имеют более тяжелый гранулометрический состав, в них содержание глины 30-40%.
Величина R в поверхностных горизонтах почв «рекреационной» катены ниже, чем в «по-стагрогенной»: в дерново-подзолистых автономных почвах Кусковского парка накапливаются Sb6Mn5W4Pb4Mo3Sn3Cd3As2Zn2Bi2, а в дерново-подзолистых почвах склона - Mo6W5Sb4Mn3Sn3 СёгРЬг; в нижележащем горизонте обеих почв накапливается только Мп с R=3-4. Распределение ТМ по профилю серо-гумусовых почв в супераквальной позиции сильно варьирует из-за наличия погребенных горизонтов: наибольшие R характерны для верхнего и погребенных гумусовых горизонтов: в AY аккумулируются БЬзСсІзХУзСі пгРЬг S112M02, в погребенном горизонте [AY] - Cu3Zn2.
Распределение ТМ слабо дифференцировано: L не превышает 1,5 у всех элементов (рис. 4.5). В супераквальных ландшафтах относительно автономных происходит интенсивное рассеивание Mn, Mo, Sb, W и РЬ, что может быть обусловлено относительной «новизной» поверхностного материала серо-гумусовых почв, который, вероятно, был привнесен во время планировочных и устроительных работ в лесопарке. Сильное рассеивание всех элементов в донных отложениях Большого Дворцового пруда объясняется его облицовкой бетонными плитами, что препятствует латеральному привносу веществ, а также удалением части материала отложений при его очистке.
Транспортная зона. В транспортной зоне в зависимости от расположения основного источника техногенного воздействия выделены следующие катены («элювиальная» - источник в автономном, «подчиненная» - в подчиненном ландшафте): «железнодорожно-элювиальная» (железная дорога «Москва-Казань»), «автодорожно-элювиальная» (ул. Пруд Ключики), «желез-нодорожно-подчиненная» (железная дорога «Москва-Казань»), «автодорожно-элювиальная кольцевая» (МКАД), «автодорожно-элювиально-подчиненная» (вдоль ул. Фрязевская), «авто-дорожно-подчиненная» (ул. Косинская). Среди почв распространены реплантоземы гумусиро-ванные, в том числе с погребенными горизонтами (приложение 1). Растительность представлена преимущественно газонными травами (плевел многолетний, различные виды мятликов, овсяниц, полевиц) с включением рудеральных и луговых видов (одуванчик лекарственный, подорожник большой, крапива двудомная, мышиный горошек, поповник обыкновенный, тысячелистник обыкновенный, клевер луговой и др.).
Физико-химические свойства почв транспортной зоны отличаются слабо. Так, рН равномерно распределен в большинстве профилей. Поверхностные горизонты слабощелочные и щелочные, рН практически не изменяется в нижележащих горизонтах (7,9-8,3). Вероятно, подще-лачивание объясняется поступлением обломков дорожного покрытия, выпадением карбонатной пыли, применением антигололедных смесей и т.д. С0рг имеет поверхностно-аккумулятивный характер распределения в большинстве реплантоземов: содержание Сорг в верхних горизонтах составляет 2-3%, постепенно снижаясь до 0,2-1% к низу профиля. Однако в реплантоземах возле автомобильных дорог содержание Сорг в поверхностном горизонте достигает 6-9%, резко снижаясь до 1-2% в нижележащих, что связано, вероятно, с применением торфо-компостных смесей при разбивке газонов и рекультивационных работах. Содержание физической глины в большинстве реплантоземов имеет минимум в верхней части и максимум - в нижней части профиля. Это, видимо, связано с гранулометрической неоднородностью исходного техногенного материала и вещества рекультивационных горизонтов RAT. На уменьшение относительной доли физической глины (и увеличение доли песчаной фракции) в поверхностных горизонтах также оказывает влияние поверхностный смыв, выдувание мелких частиц при движении транс -86 порта, и применение песка в качестве противогололедного реагента.
В транспортной зоне выделены два основных типа катен: с накоплением химических элементов преимущественно в почвах подчиненных ландшафтов и в почвах склоновых ландшафтов. Ко второму типу относится «автодорожно-элювиальная кольцевая» катена с МКАД в автономном ландшафте, к первому - остальные (рис. 4.6-4.8).
«Железнодорожно-элювиалъная» и «автодорожно-элювиальная» катены. В почвах этих катен радиальная дифференциация ТМ выражена слабо: величины R превышают 1,5 только в средних горизонтах реплантозема трансэлювиально-аккумулятивного ландшафта (у Be, Cd и Ті) и автономного реплантозема вблизи с ул. Пруд Ключики (у Cr, Mo, W и Ві). При этом для Ni, Со и Сг і? составляет 2,2-2,6 в поверхностном горизонте реплантозема в подчиненном ландшафте за счет как аэрального поступления загрязняющих веществ с выбросами автомобилей и железнодорожного транспорта, так и латеральным привносом элементов. Так, для данного ландшафта характерны повышенные значения L Fe, Со, Ni и Сг (1,5-3) при расчете относительно автономного ландшафта с железной дорогой, и очень высокие L для Ni, Сг, Со (30, 13 и 8) и Мо, Fe, Sb, As, Mn, Си (2-5) относительно автономных почв рядом с ул. Пруд Ключики. Такие большие различия в L свидетельствуют о более интенсивном техногенном воздействии железнодорожного чем автомобильного транспорта, причем с выбросами первого в относительно больших количествах поступают Ni, Cr, Со, Mo, Fe, Sb, As, Си.
«Железнодорожно-подчиненная» катена. В этой катене горизонты реплантоземов автономной и трансэлювиальной позиций характеризуются незначительными R всех элементов (не более 1,8). В реплантоземе трансэлювиально-аккумулятивного ландшафта R в поверхностном горизонте RAT значительно выше (рис. 4.9), причиной чего служит близость к железной дороге, а также интенсивная механическая миграция почвенных частиц, для снижения смыва которых на поверхности почв склонов установлены специальные сетки. Это подтверждается распределением L Cr, Fe, Ni, As и Мо, который составляет 1,5-1,9 в почвах подножия склона и увеличивается на 0,2-0,6 в почвах рядом с железной дорогой у большинства элементов (рис. 4.7).
«Автодорожно-элювиалъно-подчиненная» катена. При расположении источника воздействия вдоль катены наибольшие L ТМ формируются в почвах подошвы склона, то есть в месте изменения уклонов поверхности, в результате чего скорость миграции почвенных частиц резко замедляется и происходит аккумуляция поллютантов. Так, для Ni, Cr, As, Sn, Cd, Со, V и Be L составляет 1,3-2,1. В аккумулятивно-элювиальном ландшафте интенсивность латеральной миграции слабо выражена для большинства элементов кроме Cd (1,8), Сг (1,6) и Sn (1,5). Здесь в реплантоземе на погребенном гумусированном реплантоземе максимумы R Pb, Sn, Bi, Cd, As, Sb, W, Cr, Cu, Ag, Ni и Zn (1,6-2,6) установлены в погребенном техногенном горизонте.
Тяжелые металлы и металлоиды в поверхностном горизонте почв
Для оценки значимости элементов для растений учитываются их биохимические и физиологические функции (Bowen, 1979; Kabata-Pendias, 2011). Си участвует в окислении, фотосинтезе, метаболизме протеинов и углеводов; Fe - в синтезе хлорофилла и фиксации N; Мп - в фотолизе воды и синтезе нуклеиновых кислот; Мо - в фиксации N, абсорбции и перемещении Fe; Zn - в формировании хлорофилла, активации ферментов, метаболизме углеводов и белков (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Баргальи, 2005). Эссенциалъные элементы участвуют в метаболизме организма и не могут быть заменены другими для выполнения биохимической роли (Баргальи, 2005). Токсичные элементы (Pb, Cd, Sb, As, ТІ, In, Ві, Hg, Ge и др.) могут оказывать негативные эффекты на развитие растений, вызывать повреждения клеток в результате окисления, изменение проницаемости клеточных мембран и т.д. (Markert, 1992; Babula et al., 2008). Таким образом, для высших растений среди исследуемых элементов Си, Fe, Мп, Мо и Zn относятся к эс-сенциальным, a Cd, As, Sb и Pb - токсичным.
Состояние городских растений оценивается по величине отношений Fe/Mn и Pb/Mn. Fe/Mn является информативным показателем процесса фотосинтеза, a Pb/Mn характеризует отношение техногенных и биофильных элементов (Парибок и др., 1982; Аржанова, Елпатьевский, 1990; Новикова, Кошелева, 2007; Касимов, Кошелева и др., 2011).
В листьях клена и одуванчика величина Fe/Mn в 3,4 и 4,8 раз выше, a Pb/Mn в 2,4 и 5,5 раз выше, чем на фоновой территории (табл. 5.5), по-видимому, из-за нарушений процесса фотосинтеза. Наибольшие уровни Fe/Mn (13,9 и 12,0) и Pb/Mn (6,3 и 13,3) в листьях клена и одуванчиках установлены в промышленной зоне. Меньшие величины соотношений выявлены в кленах высокоэтажной застройки (8,7 для Fe/Mn и 3,9 для Pb/Mn), в одуванчиках эти показатели несколько ниже в транспортной зоне (5,9 и 6,2), где растения подвержены техногенному воздействию выбросов транспорта.
Для оценки интенсивности фотосинтеза и роста растений использован показатель Мо/Мп, контрастность которого значительна: для одуванчика в среднем по округу величина Мо/Мп в 14,3 раза, а для клена - в 3,7 раза больше, чем на фоне.
Для выявления различий в биогеохимической специализации кленов и одуванчиков использовался показатель Sb/Mo. Для одуванчиков округа это отношение примерно в 5 раз ниже, чем в фоновых растениях, в то время как для клена оно в 4,5 раза выше. Показатель Sb/Mo в одуванчиках 1 во всех зонах. Повышенное накопление Sb растениями отмечается также по Sb/Mn, которое для одуванчиков в среднем в 3 раза, а для кленов в 16,4 раза интенсивнее в южной части ВАО, чем на фоне.
Для интегральной оценки соотношения токсичных и эссенциальных элементов использован показатель (CdAsSbPb)/(CuMnMoZn), позволяющий выявить характер накопления токсичных элементов в городских растениях. Так, соотношение значительно 1 указывает на прогрессирующий характер загрязнения, когда накопление токсичных элементов по сравнению с эссенциальными происходит более активно. В постагрогенной зоне для листьев одуванчика показатель немного ниже фонового уровня за счет интенсивного поглощения эссенциальных элементов, аккумулирующихся в почвах в результате применения удобрений. Уровни показателя в листьях клена выше, чем в одуванчиках во всех функциональных зонах за исключением рекреационной и среднеэтажной застройки.
Таким образом, в городских одуванчиках по сравнению с кленами происходит более интенсивное изменение соотношений техногенных и биофильных элементов, сильнее нарушается процесс фотосинтеза. При этом для обоих видов типично ускоренное накопление токсичных элементов по сравнению с эссенциальными, которые из-за нарушения биохимических процессов рассеиваются или слабо аккумулируются (Mn, Си, Zn).
Как известно, растения реагируют на загрязнение окружающей среды не только посредством накопления поллютантов, но и рассеяния эссенциальных элементов, что обусловлено изменениями в интенсивности протекания биологических процессов (Баргальи, 2005; Kabata-Pendias, 2011; Сорокина, 2013). Zc не учитывает рассеяние химических элементов, поэтому О.И. Сорокиной (2013) при изучении геохимических особенностей листьев тополя и хвои лист - 115 Таблица 5.6 венницы в г. Улан-Батор (Монголия) предложен показатель биогеохимической трансформации ZV; рассчитываемый как: Zv = Кс + Y.KP -(n]+n2-\\ где Кс - коэффициент концентрации элемента в растениях, П] - число элементов сКс 1,КР- коэффициент рассеяния элемента в растениях, ri2 - число элементов с Кр 1. Ею использовались следующие градации: 15 - низкий уровень биогеохимической трансформации; 15-20 - средний; 20-25 - выше среднего; 25 - в два раза выше среднего (Сорокина, 2013).
Коэффициент Zv отражает нарушение нормальных соотношений микроэлементов в органах растений, характерных для их фило- и онтогенетической специализации, и количественно описывает дисбаланс микроэлементов, возникающий в результате усиления антропогенной нагрузки.
На основе распределения числа точек с разными уровнями Zv предложены градации суммарного показателя биогеохимической трансформации листьев клена и одуванчиках для южной части В АО (рис. 5.4, табл. 5.6).
Пространственную структуру загрязнения растительности комплексом ТМ отражает карта суммарного загрязнения листьев одуванчика и листьев клена (рис. 5.5). На территории южной части ВАО установлено несколько аномалий ТМ в листьях одуванчика. Основная аномалия с Zc более 80 единиц располагается в центре территории рядом с промзоной «Перово», протягиваясь до южной оконечности Кусковского парка. Вторая аномалия (Zc 65-70) сформирована выбросами автотранспорта на пересечении ш. Энтузиастов и МКАД. Центр третьей аномалии (Zc 55-60) расположен на северо-западе вблизи промзон «Прожектор» и «Соколиная гора». Первая и тре -116 тья аномалии образуются при воздействии предприятий машиностроения, электроэнергетики, легкой промышленности, химии и нефтехимии. Четвертая аномалия на юго-востоке ВАО (Zc