Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Объекты, материалы и методы исследований 9
1.1. Полевой метод эколого-геохимических исследований 10
1.2. Лабораторный метод эколого-геохимических исследований 14
1.3. Камеральный метод эколого-геохимических исследований 15
1.3.1. Обработка эколого-геохимической информации 15
1.3.2. Основные положения эколого-геохимического картирования 17
1.3.3. Методика построения карт 19
Глава II. Функциональное зонирование территории Северодвинского промышленного района 24
2.1. Основные источники загрязнения почв исследуемого района тяжелыми металлами 24
2.2. Функциональная структура городской территории 32
2.3. Систематика техногенного воздействия 41
Глава III. Оценка геохимической устойчивости ландшафтных комплексов Северодвинского промышленного района к загрязнению тяжелыми металлами . 51
3.1. Устойчивость антропогенных ландшафтов 51
3.2. Устойчивость природных ландшафтно-геохимических систем 54
3.3. Ландшафтно-геохимическое районирование территории Северодвинского промышленного района 57
Глава IV. Оценка геохимической устойчивости почв Северодвинского промышленного района к загрязнению тяжелыми металлами 66
4.1. Почвы Северодвинского промышленного района 66
4.2. Свойства почв 69
Глава V. Накопление тяжелых металлов в почвах Северодвинского промышленного района 82
5.1. Элементы первого класса опасности 83
5.2. Особенности распределения элементов первого класса опасности в аномальных зонах почв Северодвинского промышленного района по суммарному показателю загрязнения 91
5.3. Элементы второго класса опасности 95
5.4. Особенности распределения элементов второго класса опасности в аномальных зонах почв Северодвинского промышленного района по суммарному показателю загрязнения 103
Глава VI. Аналитический обзор эколого-геохимического состояния почв Северодвинского промышленного района 107
Выводы 116
Список литературы
- Полевой метод эколого-геохимических исследований
- Основные источники загрязнения почв исследуемого района тяжелыми металлами
- Устойчивость антропогенных ландшафтов
- Почвы Северодвинского промышленного района
Введение к работе
Актуальность темы. Загрязнение тяжелыми металлами (ТМ) -избыточное накопление в почве группы экотоксичных химических элементов, в которую обычно включаются РЬ, Си, Zn, Cd, Сг, Ni, Со, Sb, Sn, Bi, Hg, Mo, V, Mn, Ті, W. Нередко к ним присоединяются (Реймерс, 1990) «не тяжелые» металлы и некоторые металлоиды - Be, Ті, Sr, Ga, Ge, As, Se, В. К ТМ условно относят [35] химические элементы с атомной массой свыше 50, обладающие свойствами металлов или металлоидов.
Токсические свойства малых концентраций многих элементов усугубляются их способностью к аккумуляции в живых организмах [68]. Главная опасность ТМ заключается чаще не в непосредственном отравляющем действии, а в том, что они способны постепенно концентрироваться в пищевых цепочках экосистем. По правилу трофической пирамиды органическое вещество каждого последующего звена пищевой цепи прогрессивно уменьшается в объеме, количество же поглощенных ТМ сохраняется, т.е. концентрация их последовательно возрастает. Начало этого процесса связано с загрязнением почв, куда ТМ поступают в основном с аэротехногенными выпадениями, лиственным опадом, отмершей корневой системой и т.д. В большей мере почвы должны рассматриваться в качестве интегрального индикатора многолетнего загрязнения окружающей среды в целом [22].
Помимо прямого токсического воздействия, для многих ТМ характерны так называемые отдаленные эффекты токсичности, затрагивающие такие важнейшие функции живых организмов, как воспроизводство и биопродуктивность. Тем самым загрязнение среды обитания ТМ создает угрозу не только для отдельных организмов, но и для целых поколений и популяций. В отличие от многих других загрязняющих веществ (нефтепродуктов, пестицидов и других) они не разрушаются и не преобразуются. В природе в процессах миграции меняются лишь формы их
5 нахождения и концентрации. Для многих ТМ характерен кумулятивный
эффект - суммирование вредного действия от отдельных загрязнителей [9].
Особенно актуальна оценка техногенного загрязнения окружающей среды ТМ в условиях северных широт, где компоненты окружающей среды отличаются низкой устойчивостью и степенью восстановления. Включаясь во все типы миграций и биологический круговорот, ТМ неизбежно приводят к загрязнению важнейших жизнеобеспечивающих природных сред: воды, воздуха, почвы. При анализе экологических проблем города, расположенного в северных широтах, необходимо подробное изучение степени загрязнения почв.
Объект исследовании. Почвы Северодвинского промышленного района.
Предмет исследований. Накопление ТМ в почвах техногенных ландшафтов Северодвинского промышленного района.
Цель настоящей работы - исследование эколого-геохимического состояния почв Северодвинского промышленного района, оценка интегрального воздействия антропогенных источников загрязнения, анализ полученных данных о техногенных нагрузках на почвы.
Для достижения этой цели в процессе исследования решались следующие задачи:
1) выполнить функциональное зонирование территории
Северодвинского промышленного района, разработать систематику
техногенного воздействия, провести типизацию и ранжирование источников
и видов воздействия, оценить масштабы проявления последних;
2) провести ландшафтно-геохимическое районирование территории
Северодвинского промышленного района;
3) определить степень геохимической устойчивости почв
Северодвинского промышленного района к техногенному загрязнению;
4) на основе ландшафтно-геохимического районирования территории
произвести эколого-геохимическое картирование и установить
пространственную структуру загрязнения, дифференцирующую территорию по степени экологической опасности.
Научные положения диссертации, выносимые на защиту.
На основе комплексного анализа данных сформулированы следующие основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Город Северодвинск проявляет себя как интегральный источник
загрязнения прилегающих к нему территорий. Максимальный экологический
прессинг испытывают почвы, расположенные южнее города на расстоянии 5-
10 км. В аномальных зонах почв изучаемого района происходит накопление
элементов первого (Pb, Zn) и второго классов опасности (Cr, Ni, Mo, Си) в
концентрациях, превышающих ПДК.
Большую часть территории Северодвинского промышленного района занимают болотные, болотно-подзолистые и глеевые почвы с низкой геохимической устойчивостью к загрязнению тяжелыми металлами. Техногенные геохимические аномалии, образовавшиеся в этих почвах, являются устойчивыми, чему также способствует слабое развитие процессов самоочищения ландшафтов.
Установленные эколого-геохимические особенности Северодвинского промышленного района принципиально отличаются от модели интегрального геохимического аномального поля (ИГАП), разработанной сотрудниками ИМГРЭ [21]. В отличие от общепринятой модели центростремительного типа, в пределах района наблюдается центробежная концентрически зональная модель ИГАП.
Научная новизна. Охарактеризованы функциональные зоны Северодвинского промышленного района как системы взаимодействия человеческого общества и природной среды. На основе многочисленных данных были выполнены типизация и ранжирование источников воздействия, видов воздействия, оценены масштабы проявления последних. В результате анализа приоритетных элементов-загрязнителей был определен оптимальный, информативный спектр поллютантов.
7 Оценена геохимическая устойчивость почв и ландшафтов района к
загрязнению ТМ, обусловленному техногенным воздействием. Показано, что
пригородная зона отличается от города более высокой степенью загрязнения
почв. Максимальный экологический прессинг испытывают почвы,
расположенные южнее города на расстоянии 5-Ю км. Они представлены в
основном болотными почвами. Техногенные геохимические аномалии,
образовавшиеся в этих почвах, являются устойчивыми, чему также
способствует слабое развитие процессов самоочищения ландшафтов. В
пределах города уровень загрязнения почв незначительный, т.к. городские
почвы - это насыпные песчаные грунты, из которых происходит
интенсивный вынос загрязняющих веществ.
Установлена пространственная структура распределения уровней концентрации ТМ в зоне влияния выбросов предприятий на почвы Северодвинского промышленного района. Установленные эколого-геохимические особенности района отличаются от модели интегрального геохимического аномального поля (ИГАП), разработанной сотрудниками ИМГРЭ [21]. В отличие от общепринятой модели центростремительного типа, в пределах СПР наблюдается центробежная концентрически зональная модель эколого-геохимического поля.
Практическое значение результатов исследований связано с: выявлением значительного химического загрязнения почв СПР; установлением особенностей строения ИГАП, позволившим осуществлять рациональное функциональное использование территории; обоснованием необходимых мер, направленных на снижение уровня загрязнения почв; созданием основы для организации и отработки технологии объективного ведения мониторинговых исследований.
Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается применением методов картографирования, математической статистики и компьютерных технологий; объемом обработанного фактического материала (402 точки опробования).
8 Исходные материалы и личный вклад автора. Основой диссертации
послужили результаты исследований почв СПР, выполняемые автором с
1999 года. Работы проводились в рамках бюджетных тем ИЭПС УрО РАН.
Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач, сборе,
обработке и анализе результатов исследований, составлении
картографических материалов, подготовке публикаций.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались и получили одобрение на Международном молодежном экологическом форуме (Архангельск, 2001), Международной конференции «Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения» (Архангельск, 2002), Международной молодежной конференции «Экология 2003» (Архангельск, 2003), Всероссийской конференции с международным участием «Геодинамика и геологические изменения в окружающей среде северных регионов» (Архангельск, 2005), Всероссийской конференции с международным участием «Академическая наука и ее роль в развитии производительных сил в северных регионах России» (Архангельск, 2006).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах (в том числе одна статья в рецензируемом журнале перечня ВАК РФ).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Основной текст изложен на 128 страницах, включая 9 таблиц и 19 рисунков. Список литературы содержит 114 работ, из них 12 на иностранных языках.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность член-корр. РАН Ф.Н. Юдахину, д.г.-м.н. Ю.Г. Кутинову, а также своему научному руководителю - к.г.-м.н. СП. Главатских. За неоценимую помощь в процессе сбора материалов для диссертационной работы автор благодарен Н.А. Шадрину, Л.Г. Водянниковой, М.А. Шановой.
Полевой метод эколого-геохимических исследований
Основой для разработки схемы эколого-геохимического опробования СПР послужили почвенная, ландшафтная карты и карта - схема функционального зонирования городской территории, позволяющие установить пространственное положение источников загрязнения и функциональные особенности зон их возможного воздействия. В сущности, цель опробования - выявление участков для геохимического картирования антропогенных ореолов и потоков рассеяния. Геохимическое опробование проводилось в районах воздействия известных и потенциальных источников загрязнения [10].
Организация отбора почвенных проб требует обоснования выбора представительного горизонта опробования. Выбор представительного горизонта определяется глубиной проникновения элементов загрязнителей по почвенному профилю.
На основе литературных данных установлено, что максимальная концентрация элементов загрязнителей приурочена к верхнему горизонту, непосредственно контактирующему с приземным слоем атмосферы [46,102].
Таким образом, исследованиям подвергался верхний 10 см почвенный слой. В случае почв подзолистого типа отбирали совмещенный гумусово-подзолистый горизонт, на площадях развития болотных отложений верхний слой торфа (непосредственно из под очеса), на территории города -техногенный грунт.
Эколого-геохимические исследования по почвенному покрову проводили по сети 1000x1000 м на площадях природных ландшафтов, сельскохозяйственных угодий. В районах городской застройки и промышленных зонах сеть опробования сгущали до 250x250 м, так как в данных районах расположены основные источники загрязнения окружающей среды (рис. 1).
Технология отбора образцов почвенных проб заключалась в следующем: выбирали выровненную площадку размером 5x5м с одним типом почв или техногенного грунта на которой по углам и в центре отбирали 5 образцов по 0,5 кг с помощью цилиндрического, стального отборника («Кольский отборник верхнего слоя почв»). Пробоотборник использовали для вырезания цилиндрических образцов, после их удаления из отборника с помощью стального ножа удаляли слой с зеленной растительностью (мох или трава) и опадом. Оставшийся материал помещали в заранее пронумерованный пластиковый мешок и плотно завязывали. Общий объем пробы с одной площадки составлял 2 кг из минеральных горизонтов или 2 литра из органических горизонтов. Так как представительный материал должен быть песчано-глинистым, то образцы предварительно просматривали и из них вынимали крупные предметы (гравий, галька, остатки древесной растительности, обломки бетона, стекла, железа и т.п.).
При описании почв, помимо традиционных признаков (механический состав, цвет, структура, влажность, плотность и т.д.), особо отмечается наличие инородных включений - бытовых и промышленных отходов. До момента доставки проб в аналитическую лабораторию, они хранились в теплом, сухом и хорошо проветриваемом месте. Важным звеном в получении объективных результатов анализа проб почв на ТМ является отбор, хранение и транспортировка проб к месту исследований. Полностью сохранить природные условия для отдельного изъятого из места нахождения образца невозможно - изъятие сопровождается потерей контакта с окружающей средой. Основные изменения для отобранного образца связаны с возможностью потери влаги и, главным образом, с развитием окислительных процессов основных (сульфидных) форм нахождения ТМ (цинк, свинец, медь, железо, никель и др.).
В связи с этим проба почвенного грунта должна отбираться в виде монолита или определенной массы рыхлых песчаных грунтов, максимально быстро изолированных от прямого контакта с атмосферным воздухом запарафинированной тканью, теплым целлофаном или другим способом, предохраняющим образцы от окисления и потери влаги.
Изолированный от атмосферного воздуха образец почвенного грунта должен храниться при постоянной температуре в естественных условиях его нахождения. Он не должен подвергаться вибрации, встряске, механическим воздействиям, нарушающим его природную структуру. Как указывает И.Г.Важенин [13], при отборе проб следует строго соблюдать условия, исключающие возможность загрязнения их исследуемыми элементами. Желательно исключить из употребления лопаты, ножи и буры из высококачественной стали с повышенным содержанием легирующих металлов: хрома, никеля, марганца, молибдена, кобальта, ванадия, меди, цинка.
При отборе, хранении и транспортировке проб почвенных грунтов, предназначенных для определения в них ТМ, соблюдались основные требования ГОСТ 12071-2000. Пробы почвенных грунтов, перед тем как проводить с ними исследования, были высушены, что необходимо для консервирования почвы и грунта, т.е. прекращения в ней микробиологических процессов. Сушка проб проводилась при обычной температуре в чистом хорошо проветриваемом помещении. Образцы почвы песчаных и глинистых грунтов рассыпали ровным слоем на кальке, удаляя растительные корешки и твердые включения. Крупные комки раздавливали между бумагой до 5-Ю мм. Для растирания почвы, использовали фарфоровую ступку и пестик с резиновым наконечником. Образцы измельчали и просеивали в специальном помещении с хорошей вытяжной вентиляцией. Среднюю пробу весом около 200 г отбирали квартованием. Образцы почвы и грунта, растертые и пропущенные через сито с диаметром отверстий 1 мм, хранили в коробках и использовали в дальнейшем для определения ТМ [49]. Несколько иным способом готовили торфяную почву для проведения химического анализа. Сырой торф раскладывали тонким слоем на листе фильтровальной бумаги и высушивали в течение нескольких дней до воздушно-сухого состояния, многократно переворачивая образец. Сушку проводили в хорошо проветриваемом помещении. Воздушно-сухой образец измельчали в фарфоровой чашке до частиц - 1 см. Затем торф пропускали через мельницу или мясорубку, просеивали через сито с отверстиями 2-3 мм. Оставшиеся на сите частицы снова пропускали через мельницу [49,50].
Основные источники загрязнения почв исследуемого района тяжелыми металлами
Загрязняющие вещества (поллютанты) связаны с наличием источников загрязнения. Этот термин имеет очень широкое и не очень определенное применение. В частности под источником загрязнения может подразумеваться, как вид человеческой деятельности, так и конкретные объекты деятельности (завод, свалка, хранилище отходов, автомобильный транспорт и т. д.) или материальные носители загрязняющих веществ (отходы производства, средства химизации) [15].
Средства химизации - вещества, преднамеренно вносимые в окружающую среду с целью увеличения эффективности того или иного вида производственной деятельности. Загрязнение окружающей среды чаще всего есть побочный, не предвиденный результат этой деятельности.
Отходы - не утилизируемая в данный момент и возвращаемая в окружающую среду часть используемых и перерабатываемых человеком материалов. Загрязнение окружающей среды - неизбежное следствие появления отходов. Отходы могут быть промышленными, коммунальными, бытовыми, сельскохозяйственными. Различаются складируемые отходы, а также выбросы и стоки. Складируемые отходы (жидкие и твердые) представляют собой ту часть отходов человеческой деятельности, которая собирается с целью захоронения на свалках или депонированная на полигонах - накопителях для последующей утилизации. Довольно часто общее понятие «отходы» относят именно к складируемым отходам.
Стоки - часть жидких отходов, которые рассеиваются в окружающей среде. Стоки обычно состоят из дисперсионной среды (жидкой фазы раствора) и дисперсной фазы (взвешенных частиц, водной взвеси, взвешенного вещества). Очень часто наиболее значительное загрязнение связано именно с дисперсной фазой.
Выбросы - часть отходов, рассеиваемая в атмосфере. Как и стоки, выбросы обьино двухфазны и состоят из воздушно-газовой смеси и твердых частиц - воздушной взвеси, пыли, аэрозолей.
Стоки и выбросы могут быть организованными, т. е. осуществляемыми через те или иные технические устройства, на которых происходит количественный учет загрязняющих веществ, и неорганизованными, возникающими стихийно.
По характеру поступления загрязняющих веществ в окружающую среду источники загрязнения делятся на локальные, точечные, площадные и линейные (неточечные). Все промышленные источники выбросов и стоков точечные. Неточечные источники связаны с сельским хозяйством, химизацией, поверхностным стоком с загрязненных территорий и т. д.
Для урбанизированных территорий характерны преимущественно различные твердые отходы, газообразные выбросы в атмосферу и индустриальные пыли, а также хозяйственно-бытовые и промышленные стоки. Тем не менее, имеется и существенное отличие - здесь все они проявляются концентрированно на ограниченной по площади территории. Основные источники загрязнения, способы распространения загрязняющих веществ и последствия их воздействия на различные компоненты природной среды в городах отражены в табл. 1.
Характерной геохимической чертой большинства отходов является комплексность их состава — моноэлементные или монокомпонентные отходы редки. Это обычно позволяет выделить для каждого типа отходов или вида деятельности только им присущие особенности, выражающиеся в присутствии характерной группы компонентов. Таким образом, как на это обращалось внимание раньше, для них можно наметить типоморфные признаки, полезные в последующем для идентификации источников эмиссии. В качестве типоморфных могут выступать также индексы отношений между отдельными компонентами или их группами.
Твердые отходы, образующиеся на территории города, представлены, с одной стороны, твердыми бытовыми и промышленными отходами, с другой - пастообразными осадками городских очистных сооружений. Максимальные объемы твердых отходов характерны для предприятий металлургии, энергетики, машиностроения и стройиндустрии: шлаки, зола, шлам, формовочные материалы, строительный и производственный мусор, уловленная очистными устройствами пыль и пр. Зола и шлаки ТЭЦ обычно обогащены целым рядом микроэлементов, в том числе, естественно, и токсичных. Особенно опасным видом промышленных отходов являются осадки гальванического производства (приборостроительный завод «Полярная звезда» имеет гальванический цех), содержащие токсичные металлы и соединения, причем нередко в высоких концентрациях. Так, средние концентрации Си, Cr, Zn, Ni и Pb в гальванических осадках превышают кларки этих элементов в земной коре в десятки и сотни раз [43].
Значительное количество твердых отходов в виде металлоабразивной пыли образуется на предприятии машиностроения «Севмашпредприятие». Концентрации ТМ в таких пылях составляют от долей процента (обработка черных металлов) до десятков процентов (обработка цветных металлов). Значительная часть образующихся отходов вывозится на свалки [43].
Особую проблему представляет утилизация коммунально-бытовых отходов, представленных твердыми бытовыми отходами (ТБО) и канализационными стоками.
Твердые бытовые отходы весьма разнообразны по составу и трудно поддаются утилизации. Кроме того, некоторые их ингредиенты не имеют естественных редуцентов (стекло, керамика, пластмассы) и могут сохраняться длительное время.
У нас такие территории, специально отведенные для складирования и захоронения бытовых отходов, принято называть свалками. Этим подчеркивается не только их назначение (складирование всего ненужного), но нередко также и отсутствие специального обустройства такой территории. В официальных органах не обустроенные свалки называются несанкционированными [43].
Таким образом, твердые отходы являются наиболее мощным источником загрязнения природной среды городов и урбанизированных территорий. Прежде всего, это касается объемов поставляемого ими материала.
Выбросы в атмосферу связаны со многими источниками загрязнения, однако, основная роль среди них принадлежит предприятиям энергетики, металлургической — промышленности и автотранспорту. Среди них наиболее распространенными являются оксиды серы, углерода и азота, разнообразные углеводороды и твердые частицы (пыль, зола, сажа). Токсичность выбросов значительно увеличивается при высоком содержании в них (преимущественно в пылях) тяжелых металлов, т.е. она выше у предприятий, пылевые выбросы которых создают собственно аномальный тип техногенной нагрузки.
По убыванию частоты встречаемости в пылевых выбросах городов металлы располагаются в следующий ряд: Hg, Sb, Zn, Си, Pb, Sn, W, Mo, N1, Ag,Bi,Co,Cr,V,Cd[44].
Как известно, особенно негативное влияние на состав атмосферного воздуха в городах оказывает автомобильный транспорт. В отличие от промышленных предприятий, выбросы которых организованно с помощью труб можно вывести на требуемую экологическими нормативами высоту, выбросы автотранспорта трудно поддаются регулированию. Автомобиль в этом отношении подобен воде в городе он всюду, даже там, где нет дороги или нет проезда, в том числе в жилых кварталах, зонах отдыха, вблизи больниц и детских учреждений, табунами у подъездов жилых домов [43].
Устойчивость антропогенных ландшафтов
Техногенные геохимические аномалии нередко представляют собой своеобразные антропогенные ландшафты (или их фрагменты), при формировании которых в качестве одного из факторов (иногда основного) антропизации природных ландшафтов выступало их химическое загрязнение. В связи с этим устойчивость техногенных геохимических аномалий можно рассматривать и с позиций антропогенного ландшафтоведения. Как отмечалось, общие принципы функционирования антропогенных ландшафтов не отличаются от таковых соответствующих естественных ландшафтов Земли: обмен веществом, энергией и информацией между их блоками и субблоками. Однако для антропогенных ландшафтов характерен ряд особенностей [23]: - многократно усиливаются все процессы миграции вещества, появляются новые и эффективные по своим последствиям ее формы (техногенная миграция); - в ряде ландшафтов (промышленные, селитебные) важнейшее значение в обмене веществом приобретает техногенная миграция; - нередко существенно возрастает энергонасыщенность ландшафтов (городских, промышленных, некоторых агроландшафтов и др.); - снижается разнообразие миграционных процессов, в первую очередь биогеохимической природы, адекватная общему снижению биологического разнообразия; - уменьшается сложность организации ландшафтов и интенсивность информационных потоков между их природными и техногенными компонентами как следствие снижения биологического разнообразия;
Отмеченные особенности отражаются и на некоторых важнейших системных свойствах таких «ландшафтов-аномалий». В частности для ландшафтов с выраженными чертами антропогенных преобразований характерно [43]: - существенное уменьшение биологического разнообразия и снижение способности саморегулирования; - смещение структурного центра ландшафтов от почв и растительности автономных ландшафтов к их управляющему центру (человеку или созданным им специальным органам). Как следствие отмеченного существенно снижается устойчивость ландшафта во всех ее типах: геохимическая в форме способности к самоочищению от загрязняющих веществ, биологическая (снижение защитных и восстановительных свойств растительности), физическая (устойчивость литогенной основы). При оценке геохимической устойчивости ландшафтов, в том числе и антропогенных, к внешним воздействиям ландшафтоведы опираются на ряд свойственных им признаков: - вероятность сохранения ландшафтов в условиях антропогенного воздействия в течение некоторого времени (резистентная устойчивость экосистем; устойчивость-противостояние по Н.П. Солнцевой) [85]; - стабильность состояния во времени (саморегулирование); способность восстановления прежнего состояния после антропогенного воздействия (упругость экосистем; устойчивость-нормализация по Н.П. Солнцевой); - способность адаптироваться к меняющимся условиям, подавлять внешние воздействия, не реагировать на них; - способность к длительному накоплению вредных веществ без видимого вреда (достаточная буферность); способность сохранять производительные функции в соответствующей социально-экономической системе; - легко пропускать через себя загрязняющие вещества, не накапливая их при этом; - отсутствие или быстрое затухание вызванных внешним воздействием колебаний в системе (ландшафте); - способность сохранять траекторию развития (эволюции). Устойчивость и способность системы к самосохранению, определяется преобладанием внутренних взаимодействий в динамической системе над внешними. Это в частности означает, что внешнее воздействие на ландшафт, превосходящее энергетику его внутренних взаимодействий, ведет к его необратимым изменениям и гибели (например, при техногенном воздействии). Устойчивость динамической системы тем выше, чем интенсивней проток и преобразование в ней энергии, чем большую внешнюю работу выполняет система. Применительно к ландшафту это можно интерпретировать так: чем выше его биологическая продуктивность.
Таким образом, устойчивость энергонезависимых техногенных геохимических аномалий определяется преимущественно двумя группами факторов: устойчивостью формирующих эти аномалии техногенных веществ и способностью природных ландшафтов, на фоне которых они возникают, к развитию процессов самоочищения. Последнее в значительной степени зависит от величины характеризующего их БИКа и может быть прогнозировано исходя из их принадлежности к тому или иному технобиогеому [43].
Такова общая идеология [44] прогнозирования устойчивости ландшафтно-геохимических систем в ранге элементарных ландшафтов и их катен в условиях техногенного загрязнения, а также устойчивости их техногенных новообразований в форме геохимических ореолов, характеризующих структуру геохимического поля ландшафтных единиц. Как уже отмечалось, наряду с природными ландшафтами широко распространены ландшафты антропогенные. Н.Ф.Реймерс [69] приводит следующее их определение: антропогенный ландшафт — ландшафт, преобразованный хозяйственной деятельностью человека настолько, что изменена связь природных (экологических) компонентов в степени, ведущей к сложению нового по сравнению с ранее существовавшим на этом месте природного комплекса. В отличие от естественных ландшафтов, где природные процессы саморегулируются, развитие ландшафта антропогенного контролируется человеком. Таким образом, антропогенные ландшафты представляют собой в высокой степени детерминированные экосистемы с ограниченными возможностями саморегулирования, что требует, с одной стороны, постоянного участия человека в поддержании их развития, с другой, нередко весьма значительных связанных с этим энергетических (и экономических) затрат. Будучи предоставленными сами себе, они обычно «дичают» и рано или поздно, с той или иной скоростью, через ряд промежуточных состояний возвращаются к своему естественному исходному состоянию (например, заброшенное пахотное поле в зоне тайги с годами зарастает кустарниками, а затем и лесными биоценозами) или образуют новый тип ландшафта, близкого к известному в аналогичных условиях естественному [80,94].
Почвы Северодвинского промышленного района
На территории СПР выделены следующие типы почв [66, 82]: подзолистые, болотно-подзолистые, болотные верховые, болотные переходные, аллювиальные (рис. 6).
Почвы подзолистого типа (П) на территории СПР представлены двумя подтипами: глееподзолистые и подзолистые почвы. Глееподзолистые почвы (Пг) формируются под северотаежными хвойными еловыми лесами с моховым и мохово-кустарниковым покровом, на породах преимущественно суглинистого состава. Они широко распространены на территории района. Характерными признаками этих почв являются: оглеение верхней части профиля, отсутствие гумусового горизонта. Мощность почвенного профиля достигает 80 - 100 см. Глееподзолистые почвы имеют следующую систему морфогенетических горизонтов: Ао - A2g - A2Bg - В - ВС - С. Наиболее характерны для них наличие оглеенности в горизонте А2 и отсутствие горизонтов AoAi, Ai и AiA2. Подтип глееподзолистых почв, в свою очередь, представлен глеесреднеподзолистым видом почв. Подзолистые почвы (П) характеризуются значительной мощностью профиля (100-120 см), четкой дифференциацией его на горизонты, очень слабой выраженностью (или отсутствием) признаков оглеенности в верхней части профиля. Под подстилкой (5-Ю см) залегает небольшая прослойка, сильно обогащенная органическими остатками (AoAj). Мощность ее не превышает 2-Зсм. Горизонт А2 четко выделяется своей светлой окраской. Мощность его может превышать 20 см. Подзолистый горизонт (А2) через переходный горизонт (А2В) переходит в иллювиальный горизонт (В), а затем через горизонт (ВС) в породу (С). Профиль и свойства почв этого подтипа наиболее полно отражают характерные черты типа подзолистых почв. Подтип подзолистых почв подразделяется на два вида: слабоподзолистые почвы Пі(8) и сильноподзолистые иллювиально-железистые Пзж(11).
Почвы болотно-подзолистого типа (Пб) распространены среди почв подзолистого типа на слабодренированных территориях (плоские равнины, неглубокие понижения), для которых характерен временный застой поверхностных вод (верховодки) или относительно высокий уровень залегания мягких грунтовых вод. Они развиваются под заболоченными хвойными лесами с мохово-кустарниковым наземным покровом. Относительно устойчивое сезонное переувлажнение вызывает присутствие в профиле ржаво-охристых примазок, сизых оглеенных прожилок, пятен или даже глеевых горизонтов. Все эти признаки сочетаются с отчетливой оподзоленностью почв. Данные почвы формируются в результате подзолистого и болотного процессов почвообразования. На изучаемой территории встречается торфяио-подзолистый контактно-глеевый вид почв Пбта"г(10). Формируются они в понижениях или на не дренированных равнинах, на двучленных отложениях (супеси и пески, подстилаемые в пределах первого метра суглинками).
Тип болотных верховых почв (Бв) занимает небольшую площадь района в сравнении с другими типами почв. Они развиты на водоразделах и верхних террасах речных долин. Формируются в условиях увлажнения пресными атмосферными, застойными водами. По степени развития процесса почвообразования различают два подтипа болотных верховых почв: болотные верховые торфяно-глеевые Бв"" ) и болотные верховые торфяные Бвт(5). Болотные верховые торфяно-глеевые почвы распространены в краевых частях плоских, слабо углубленных, обширных водораздельных депрессий с верховыми болотами, образуя кайму большей или меньшей ширины. Иногда сплошь занимают неглубокие бессточные понижения.
Болотные верховые торфяные почвы занимают центральные части верховых торфяных болот на водораздельных равнинах и песчаных террасах. Профиль почв мало дифференцирован на горизонты. Вверху часто выделяется горизонт сфагнового очеса, состоящий из вертикально расположенных стебельков сфагновых мхов. Под слоем очеса идет бурый, обычно сильно насыщенный влагой торф с хорошо оформленными растительными остатками. При нарастании новых слоев торфяной почвы нижние ее слои становятся биологически менее активными, количество микроорганизмов в ней резко уменьшается, почва превращается в торфоорганогенную породу. Нижней границей торфяной почвы является глубина, до которой в летний период могут опускаться почвенные воды (30 50см). В целинном состоянии болотные верховые почвы сильно насыщены влагой.
Тип болотные переходные почвы (Бп) формируются в условиях несколько лучшего, но все-таки обедненного минерального питания слабоминерализованными грунтовыми водами. Образуются из болотной, низинной почвы, при потере верхними горизонтами связи с минерализованными грунтовыми водами. Торф чаще всего коричневого или темно-коричневого цвета, среднеразложившиися с хорошо заметными остатками растений. Данный тип на территории СПР представлен двумя видами почв: болотные переходные торфяно-глеевые 5 (7) и болотные переходные торфяные Бпт(6).
Тип аллювиальные болотные почвы. Для этого типа почв характерно сочетание болотного процесса почвообразования с процессами заиления профиля почв полыми речными или озерными водами, содержащими во взвешенном состоянии илистые частицы. Образуются в депрессиях рельефа на современных пойменных террасах рек и крупных озер. Почвообразование развивается в условиях периодического засоления солеными водами отложений наилков, близкого уровня грунтовых вод. В связи с этим профиль луговых почв несет устойчивые признаки оглеения и засоления верхних горизонтов. Засоление сульфатно-хлоридное. Морфологически соли в почвенном горизонте не выделяются. Этот тип почв на территории СПР представлен одним видом аллювиальные-иловато-торфяно-болотные засоленные АБИГЗС(2). Данный вид занимает территорию островов дельты Северной Двины. Мощность иловато-торфяного горизонта до 50 см.
Тип пойменные дерновые почвы формируется в прирусловой и центральной частях пойм в условиях интенсивного аллювиального процесса-кратковременного затопления быстро текущими паводковыми водами, отлагающими большое количество аллювия, преимущественно легкого состава. На территории изучаемого района встречаются два вида этих почв. Ап (3) - аллювиальные пески - свежий, рыхлый, песчаный нанос. Встречается в прирусловой пойме Северной Двины. Ас (1) - аллювиальные пойменные слаборазвитые - это наиболее молодые почвы приурочены к прирусловым валам, песчаным косам, отмелям и островам; развиваются под сильно изреженной, травянистой растительностью. Морфологические признаки почвообразования в профиле выражены слабо, в виде серой прокраски гумусом отдельных слоев аллювия, преимущественно в верхней части профиля, следов оглеения обычно нет. Рассмотрев морфологию этого типа почв, можно уверенно определить высокую устойчивость к загрязнению химически активными веществами, т.к. характеризуются высокой фильтрационной и низкой сорбционной способностью почвообразующих отложений [37].
Похожие диссертации на Накопление тяжелых металлов в почвах техногенных ландшафтов на примере Северодвинского промышленного района
