Содержание к диссертации
Введение
1. Природные и урботехногенные факторы формирования и дифференциации городских почв 12
1.1. Городские почвы 12
1.2. Особенности формирования городских почв 16
1.3. Основные направления урботехногенного почвообразования 21
1.4. Классификация городских почв 31
2. Природные и урботехногенные почвы и почвенный покров города тулы 32
2.1. Природно-урботехногенные факторы формирования и дифференциа ции городских почв и почвенного покрова г. Тулы 32
2.1.1. Природные факторы формирования и дифференциации городских почв и почвенного покрова г. Тулы 32
2.1.2. Урботехногенные факторы формирования и дифференциации городских почв и почвенного покрова Тулы 39
2.2. Почвы и почвенный покров г. Тулы 46
2.2.1. Почвы г. Тулы 46
2.2.2. Почвенный покров г. Тулы 61
3. Урботехногенные факторы и процессы почвообразования, и экологическое состояние городских почв 72
3.1. Трансформация химических свойств техногенно-загрязненных городских почв 72
3.1.1. Источники, объемы поступления и состав химических загрязнителей городских почв 72
3.1.2. Уровни, категории и типы техногенной трансформации городских почв 92
3.2. Загрязнение тяжелыми металлами почв г. Тулы 98
3.2.1. Городские почвы - источник ретроспективной и текущей урбоэколо-гической информации 99
3.2.2. Почвенно - и ландшафтно-геохимические условия миграции и концентрации тяжелых металлов 100
3.2.3. Территориальная структура распределения тяжелых металлов в почвах города 106
3.2.4. Ореолы аномальных концентраций химических элементов первого класса экологической опасности 107
3.2.5. Ореолы аномальных концентраций химических элементов второго класса экологической опасности 111
3.2.6. Ореолы аномальных концентраций химических элементов третьего класса экологической опасности 116
3.2.7. Разработка математической модели динамики изменения концентраций тяжелых металлов 120
3.2.8. Ореолы суммарного загрязнения почв г, Тулы тяжелыми Металлами 123
3.2.9. Содержание тяжелых металлов в почвах функциональных территорий города Тулы 126
3.3. Эколого-почвенно-геохимическое зонирование г. Тулы по загрязнению тяжелыми металлами 126
4. Трансформация экологических функций и геохимическая устойчивость городских почв к загрязнению тяжелыми металлами 132
4.1. Трансформация экологических функций городских почв 132
4.1.1. Экологические функции природных почв 132
4.1.2. Экологические функции городских почв 134
4.1.3. Экологические последствия трансформации природных функций городских почв 137
4.2. Геохимическая устойчивость городских почв к техногенному загрязне нию 140
4.2.1. Экосистемный подход к определению устойчивости почв 140
4.2.2. Режимы и модули техногенных воздействий на природные экосистемы, и виды устойчивости почв 142
4.2.3. Геохимическая устойчивость почв к техногенному загрязнению 145
4.2.4. Концептуальные подходы и принципы оценки геохимической устойчивости почв к загрязнению тяжелыми металлами 146
4.2.5. Почвенно-химическая и ландшафтно-геохимическая системы оценки устойчивости почв к загрязнению тяжелыми металлами 148
4.2.6. Почвенно-химические основы геохимической устойчивости почв к загрязнению тяжелыми металлами 151
4.2.7. Ландшафтно-геохимические основы геохимической устойчивости почв к загрязнению тяжелыми металлами 157
5. Геохимическая устойчивость городских почв тулы к загрязнению тяжелыми металлами 158
5.1. Методика оценки устойчивости городских почв к загрязнению тяжелы ми металлами 158
5.2. Разработка математической модели прогнозного определения геохимической устойчивости 159
5.3. Оценка геохимической устойчивости почв города Тулы к загрязнению тяжелыми металлами 165
5.4. Карта геохимической устойчивости и районирование г. Тулы по геохимической устойчивости почв к загрязнению тяжелыми металлами 171
5.4.1. Карта геохимической устойчивости и районирование г. Тулы 171
5.4.2. Районирование территории города Тулы по геохимической устойчивости почв к загрязнению тяжелыми металлами 173
Заключение 175
Список использованной литературы
- Основные направления урботехногенного почвообразования
- Урботехногенные факторы формирования и дифференциации городских почв и почвенного покрова Тулы
- Городские почвы - источник ретроспективной и текущей урбоэколо-гической информации
- Экологические последствия трансформации природных функций городских почв
Введение к работе
Актуальность работы Почва, с одной стороны, является результатом тесного взаимодействия всех компонентов ландшафта в течение дтительного времени, с другой - одним И5 компонентов ландшафта Ро~ь почвы в природе связана именно с ее первое характернешкой нахождением почвы в фокусе взаимодействия горных пород, рельефа, климата, поверхностны?- и подземных сод, растительного и животного мира Изменения в любом из компонентов ландшафт а отражаются в свойствах самих почв С современных позиций науки можно отмегигь, что состояние почв отражает все процессы и явления, происходящие в ландшафтах, затрагивает перечисленные факторы почвообразования Такие процессы, как добыча и транспортировка полезных ископаемых, городское и сельское, промышленное и инфраструктурное строительство, глубоко изменяют природные свойства почв и приводят к трансформации их естественных параметров, преобразованию и коренной перестройке всего почвенного профиля
Каждый вид техногенного воздействия на любой компонент городских ландшафтов отражается на экологическом состоянии городских почв
В современных городах в связи с ведением больших объемов работ жилищного, транспортного, промышленного и других видов строительства производятся работы по выемке и перемещению грунтов для возведения нулевых циклов строящихся зданий, прокладки различных видов коллекторов, транспортных туннелей, подземных переходов и т д При этом породы перевозятся и складируются в окрестностях городов или используются для планировочных работ, что оказывает влияние и на рельеф, и на миграцию подземных вод Наиболее остро эти нетативные факторы проявляются в горно-промышленных регионах, так как добыча угля приводит к значительным геохимическим изменениям свойств и состава почв
Следует учесть, что почвенно-растительный слой, насыщенный отходами не всегда может быть использован для планировочных работ при строительстве скверов, парков и других культурных объектов, так как в культурном слое почв содержится значительное количество тяжелых металлов и других вредных компонентов
Тяжелые металлы в настоящее время являются одним из основных загрязнителей городской среды, и многие їв них включены в категорию высокоопасных и опасных элементов Особенности миграции и концентрации отдельных загрязнителей строго дифференцированы и определяются конкретными почвенно-химическими и ландшафтно-геохимическими условиями, такими как кислотно-щелочные, емкость поглощения, гумускость, окислитедьно-восстановитезьный потенциал почв
Существующие системы мониторинга загрязнения почв не достаточно учитывают почвенно-химические и ландшафтно-геохимические факторы, влияющие на формирование состояния почвенного покрова Поэтому геохимическую устойчивость почв, понимаемую в данной работе как способность системы сопротивляться постоянно изменяющимся условиям среды до момента ее разрушения, необходимо определять относитетмю конкретного элемента-загрязнителя іпи определенной группы химических элементов с близкими условиями миграции и концентрации
Таким образдм, актуальной научной задачей является разработка методики оценки геохимической устойчивости почв к загрязнению тяжелыми металлами, по-
зволяющей повысить эффективность системы мониторинга загрязнения почв территории Подмосковного бассейна
Диссертационная работа выполняпась на основе результатов исследований при поддержке Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России»
Целью работы является разработка методики опенки геохимической устойчивости почв к загрязнению тяжелыми металлами на основе уточнения закономерностей условий формирования латеральной и радиальной структуры техногенного загрязнения почв горно-промышленного региона дли повышения качества мониторинга состояния окружающей среды
Идея работы заключается в том, что повышение качества моииториша основывается на адекватном графическом представлении распределения тяжелых металлов в почвах за счет использования рекуррентных соотношений при расчете концентрации загрязнителей
Область исследования соответствует информационному бюллетеню паспорта специальности 25 00 36 Геоэкология (п 18 «Технические средства контроля и мониторинга окружающей среды»)
Методы исследований. Для решения поставленных задач п работе испотьзу-ются классические методы геохимии, геохимии ландшафта, почвоведения, географии почв, а также комплексные методы математической статистики, моделирование и системные подходы к оценке геохимической устойчивости почв города к загрязнению тяжелыми металлами
Научные положения, разработанные соискателем.
почвы территории Подмосковного бассейна являются продуктом территориального сочетания и дифференциации лриродных, природно-техногеньых и сугубо техногенных почвообразовательных факторов и процессов,
по степени концентрации тяжелых металлов в почвах выделены две группы элементы, активно накапливающиеся по сравнению с их фоновыми концентрациями - Си, Pb, Ni, Zp, Co, Cr, Hg, то есть элементы первого и второго класса экологической опасности и элементы с концентрациями, близкими к фоновым величинам -Mn, Ва, Sb, W, В
почвы и почвенный покров в целом обладают большой способностью к саморегулированию, и оценка геохимической устойчивости почв сводится к оценке интегральной подвижности химического элемента в почвенно-химической и ланд-шафтно-геохичической системах,
малоустойчивыми к загрязнению тяжелыми металлами являются урбоземы территорий с многоэтажной застройкой, индустри іємьі промышленных зон и техногенные группы транспортных магистралей
Новшна основных научных положений:
установлены аналитические зависимости территориального распредетения концентраций тяжелых металлов, на основе которых разработана математическая модель динамики изменения концентраций тяжелых металлов, характеризуемых относительными глубинами распространения и площадями функциональных зон с общей площадью города,
предложен вариані магемаїической модели оценки геохимической устойчивости почв территории Подмосковного угольного бассейна, учитывающий изменения тощадей и функциональных зон,
- впервые проведено районирование территории [ Тулы по степени геохими
ческой устойчивости почв к іагрязнению тяжелыми металлами
Достоверность научных положении, выводов и рекомендаций подтверждается
корректной постановкой задач исследований, обоснованным испотьзованием методов классической геохимии ландшафта, геоэкологии и географии почв,
удовлетворительной сходимостью результатов исследований с фактическими данными и большим объемом вычислительных экспериментов,
положительными результатами апробации математического обеспечения задач прогноза загрязнения почвенного покрова Федеральным Государственным Учреждением «Центр лабораторною анализа и технических измерений по Центральному федеральному округу» (ФГУ «ЦЛАТИ по ЦФО»), комитетом Тульской области по природным ресурсам и экологии, Тульским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды
Практическая значимость работы включается в использовании результатов исследования «Тульским городским центром градосіронтельства и землеустройства», департаментом строительства Тульской области, департаментом Тульской области по экологии и природным ресурсам для принятия управленческих решений, направленных на повышение качества окружающей природной среды Разработанная методика применяется для решения научных и учебных задач при многоуровневой подготовке специалистов и кадров высшей квалификации
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Геотехнологии» ТулГУ (г Тула, 2005-2006 гг ), на первой Всероссийской научно-технической интернет-конференции (г Тула, 2005 г), на шестой Международной научно-теунической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г Тула, 2005 г ), на второй Международной конференции по пробіемам горной промышпешюсти, строительства и энергетики (г Тула, 2005 г ), на седьмой Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г Тула, 2006 г), на третьем Международном форуме «Образование, наука, производство» ([ Белгород, 2006 г), на третьей Международной геоэкологической конференции ((Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды» (г Тула, ?006 г )
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 10 статей
Объем работы. Диссертация изложена на 185 страницах машинописного текста, состоит из 5 глав, содержит 50 таблиц, 19 рисунков и список литературы из 128 наименований
Основные направления урботехногенного почвообразования
Основатель генетического почвоведения В.В.Докучаев более 125 лет тому назад подчеркивал равноправность всех факторов почвообразования в формировании почв. По этому поводу в книге «Наши степи прежде и теперь» [3] он писал «В русской и иностранной литературах много спорили о том, какому из трех факторов: грунту, климату или организмам, придать наибольшее значение при рассмотрении вопроса об образовании почв. Одни стояли за первенство климатических причин, другие - за преобладание роли организмов, третьи приписывали наисущественнейшее значение материнской породе, грунту. Но я полагаю, что это праздные, ни к чему не ведущие догадки. Если бы, предположим, медик задался вопросом, что важнее для организма человека вода, воздух или пища, то, без сомнения, такой вопрос все сочли бы праздным и бесполезным. И вода, и воздух, и пища одинаково необходимы, ибо без каждого из этих веществ в отдельности невозможно существовать, и потому поставленный выше вопрос и решать нечего. Точно так же совершенно бесполезно задаваться вопросом о том, какой именно из почвообразователей играл наиважнейшую роль в истории образования почвы. Каждый из них в отдельности одинаково важен».
Как видно из вышеприведенной цитаты, полемика шла вокруг относительной приоритетности таких почвообразующих факторов как рельеф, климат, растительность. О почвообразовательной деятельности человека если и говорилось, то вскользь и лишь как сопутствующей.
В настоящее время роль человека как главного почвообразующего фактора не подвергается сомнению, поскольку почти все почвы Земли в большей или меньшей степени подвержены антропогенным воздействиям: от минимальных, связанных с изменениями в соотношении парниковых газов в атмосфере (условно природные почвы), до почти полного уничтожения при добыче полезных ископаемых или на строительных объектах. К немногим исключениям, т.е. почвам, не испытавшим на себе явного прямого или косвенного антропогенного влияния, относятся почвы заповедников, где строго соблюдается комплекс природоохранных мер. В качестве примеров природных «абсолютно чистых», или собственно природных почв нередко приводятся почвы африканских дождевых лесов, охраняемых религиозными культовыми правилами и потому недоступные даже тем малочисленным племенам, которые населяют эти леса.
Почти во все современные почвы поступают твердые и жидкие загрязнители из атмосферы, на многих почвах изменяется растительность под влиянием выпаса, пожаров, рубки леса, военных действий, не говоря о распашке и гидротехнической мелиорации. Хозяйственная деятельность человека, особенно добыча полезных ископаемых и градостроительство, влияет на уровень грунтовых вод, экзогенные процессы, гидрографическую сеть, микроклимат и другие компоненты ландшафта.
Почвы, измененные человеком или сформировавшиеся под его воздействием как случайно, так и целенаправленно, занимающие огромные пространства черноземных равнин или крошечные участки в городах и поселках, улучшенные по сравнению с природными и полезные человеку, или, напротив, техногенно-загрязненные, опасные для его здоровья, образуют сложный спектр особых почв. Среди этих почв наибольший интерес представляют городские почвы, результат прогрессирующей урбанизации.
Урбанизация привела к формированию искусственных экосистем -природно-антропогенных территориальных комплексов (ПАТК), для которых характерно нарушение естественных связей между различными их компонентами, замена естественного режима функционирования на искусственно обусловленный. ПАТК формируются в результате деградации, уничтожения и/или замещения природных систем.
Скорость и свойства почвенно-геохимических процессов, происходящих в городских ландшафтах, отличаются от таковых в естественных условиях. В природных ландшафтах процессы протекают медленно, поэтому почва успевает к ним приспособиться и перестроиться.
Городские системы, в отличие от природных, подвергаются катастрофическим воздействиям с высокой степенью интенсивности, что часто приводит к гибели самой системы и образованию новой, а соответственно, и формированию нового почвенного покрова.
Основной формой существования городских почв являются постоянные нарушения, перемешивания, срезания, омоложение почвенного профиля и привнесение в него инородного материала.
Формирование городских почв во времени может происходить как: изменение унаследованных почв - преобладает естественная эволюция в почвах городских лесов и лесопарков с дополнительными признаками урбопедогенеза («почва по почве»); образование почв на органо-минеральных перемешанных, насыпных или намывных грунтах в районах новостроек и в средней части города («почва на грунте») - от ноль-момента до настоящего времени; развитие почв на датированных поверхностях древней части города. Все вышеперечисленные модели эволюции осложняются процессами химического и физического загрязнения, подщелачивания, окарбоначива-ния, засоления и т.д.
Преобладающим фактором почвообразования в городах становится антропогенное воздействие. В результате формируются специфические типы почв или почвоподобных тел. Факторы формирования городских почв, особенности их профилей, вопросы систематики и классификации городских почв рассмотрены в книге «Почва, город, экология» под общей редакцией академика РАН Г.В.Добровольского [4], монографии М.И.Герасимовой с соавторами [5]. По мнению авторов вышеназванных источников в почвоведении назрела необходимость понимания важности изучения того поверхностного плаща городской территории, который до сих пор назывался почво-грунт, городская земля или просто земля и возможны два подхода к новому не традиционному объекту:
? городская почва - это не почва с точки зрения классического доку-чаевского почвоведения, это есть грунт и им должны заниматься инженеры-геологи. В лучшем случае в городе почвы распространены только в лесопарках и городских лесах - и там место приложения труду почвоведов;
? городская почва - это почва, но под определение которой не всегда подходит классическое понятие почвы как природного естествен-ноисторического тела. Городская почва является биокосной системой, состоящей из твердой, жидкой и газовой фаз с непременным участием живой фазы и выполняющей определенные экологические функции. Почвы в городе образуются под воздействием тех же факторов почвообразования, что и естественные (природные) почвы, но ведущим фактором почвообразования в населённых пунктах, и, прежде всего в городах, является антропогенный фактор.
Городская почва является биокосной многофазной системой, состоящей из твёрдой, жидкой и газовой фаз, с непременным участием живой фазы. Она выполняет определённые экологические функции. Почвы в городе живут и развиваются под воздействием тех же факторов почвообразования, что и естественные почвы, но антропогенный фактор здесь становится определяющим.
В широком понимании городская почва - это любая почва, функционирующая в окружающей среде города. В узком понятии - этот термин подразумевает специфические почвы, сформированные деятельностью человека в городе. Эта деятельность одновременно является и пусковым механизмом, и постоянным регулятором городского почвообразования.
Впервые термин «городские почвы» был введён Бокгеймом [5], который определил его как «почвенный материал, содержащий антропогенный слой несельскохозяйственного происхождения толщиной более 50 см, образованный путём перемешивания, заполнения или загрязнения поверхности земли в городских и пригородных территориях».
В настоящее время, принято следующее определение: Городские почвы - это антропогенно-изменённые почвы, имеющие созданный человеком поверхностный слой мощностью более 50 см, полученный перемешиванием, погребением или загрязнением естественной природной почвы не почвенными материалами и привозным органо-содер-жащим грунтом.
Основными функциями городской почвы являются продуктивность, пригодность для произрастания зелёных насаждений, способность сорбировать в толще загрязняющие вещества и удерживать их от проникновения в почвенно-грунтовые воды.
Городские почвы значительно отличаются от почв внегородских территорий по морфологическим признакам и физико-химическим свойствам. Для них характерно нарушение природно-обусловленного расположения горизонтов, отсутствие важного биогеоценотического экранного слоя лесной подстилки, сильный сдвиг рН в щелочную сторону, обогащённость основными элементами питания растений, переуплотнённость и т.д. Изменены водный и температурный режимы почв. Вместе с тем в городских почвах диагностируются процессы гумусообразования, лессивирования, выноса и перераспределения минеральных компонентов.
Урботехногенные факторы формирования и дифференциации городских почв и почвенного покрова Тулы
Расход воды в весенний паводок составляет в среднем 642 м3/сек (максимальный 1570 м3/сек в 1970г.); в межень - около 14 м3/сек. В период дождевых паводков расход реки возрастает до 56 м3/сек. Среднегодовой расход воды составляет 40,4 м3/сек.
Наиболее значительными водотоками бассейна Упы в пределах города являются Тулица, Воронка, Бежка, Сежа, Рогожня, Еловая и их притоки: Алешня, Сухая Воронка, Китаевка, Михалковка и др.
Все реки отличаются неравномерностью стока в течение года: 74% годового стока приходится на весну. Ледовый режим продолжается 3,5-4,5 месяца. Вскрытие рек приходится на конец марта - начало апреля. Высота подъема воды в период весеннего паводка колеблется в пределах нескольких метров в зависимости от метеорологических условий и мощности снегового покрова. Поймы рек обычно затапливаются. В летнюю межень самые низкие уровни воды наблюдаются в августе-сентябре, когда реки переходят фактически на подземное питание. Зимняя межень устойчивая; уровни воды в реках в этот период мало отличаются от летних.
Практически на всех малых реках и ручейках в целях регулирования речного стока, увеличения водности и аккумуляции паводковых вод сооружены многочисленные (сотни) пруды самых разных размеров. Имеются также небольшие озера старинного типа на пойме р. Упа (оз. Кулик, Бездонное и др.).
На пойме Упы широко представлены также заболоченные участки, приуроченные к тыловым швам и старичным понижениям.
Земельный фонд Тулы. На территории зональными природными являются серые лесные почвы, которые приурочены увалистым междуречным равнинам. В долинах рек в пределах пойм и надпойменных террас развиты аллювиальные (пойменные) почвы. По механическому составу преобладают суглинистые и глинистые почвы, что непосредственно связано с составом почвообразующих горных пород, распространенных на территории города. Небольшие площади заняты болотными почвами, главным образом, в долинах рек.
Из-за сильно расчлененного рельефа почвы города характеризуются развитием эрозионных процессов.
Подробно почвы и почвенный покров города Тулы рассматриваются в следующем разделе настоящей работы.
Растительность. Для почвы характерна высокая биогенность. Именно благодаря воздействию процессов жизни на продукты выветривания происходит возникновение почвы. В результате жизнедеятельности организмов осуществляется обмен газов и воды в системе почва-атмосфера-гидросфера. Растительность является поставщиком в почву органических веществ и ассимилированной при фотосинтезе энергии. Растительность - главный участник биологического круговорота зольных элементов в почвах. Это, в свою очередь, обеспечивает жизнедеятельность населяющих почву микроорганизмов, участвующих в самых разнообразных реакциях превращеий органических и минеральных веществ в почвах и накопления почвенного гумуса.
Растительный покров, оказывая затеняющее действие и ослабляя силу ветра непосредственно у поверхности почв, существенно изменяет микроклимат почвы, препятствует эрозии и дефляции почв.
Город Тула расположен в зоне широколиственных лесов, и растительность широколиственных лесов является первичной для территории города. Основными лесообразующими породами являются дуб черешчатый, ясень обыкновенный, липа мелколистная, сосна, береза, осина, тополь и др. Эти леса имеют свои специфические региональные особенности [18] и в обобщенном виде их относят к «широколиственным лесам теневого типа» [19, 20, 21].
Специфические региональные особенности определяются тем, что в пределах зоны широколиственных лесов на Русской равнине происходит постепенное уменьшение в направлении с запада на восток количество видов, входящих в так называемый «неморальный комплекс». В связи с этим, часть неморальных видов растений не достигает западных склонов Среднерусской возвышенности, другая часть - имеет на этой возвышенности восточные границы своих ареалов, третья - идет далее на восток, до Волги или до Урала. На территории северной части Среднерусской возвышенности размещаются восточные пределы таких неморальных видов, как лук медвежий, или черемша (Allium ursinum), зеленчук желтый (Galeobdolon Luteum Huds.), сочевичник черный (Orobus niger L.). Эти виды отсутствуют в широколиственных лесах Поволжья, тогда как на Среднерусской возвышенности они являются доминантами травянистого яруса широколиственных лесов [18].
На склонах балок, нередко на склонах северной экспозиции в пределах широколиственных лесов находятся южные пределы ареалов некоторых видов растений таежной зоны. К таким видам относятся кислица обыкновенная (Oxalis acetosella L.), майник двулистный (Majanthemum bi-folium (L) F.M.Schidt), двулепестник альпийский (Circaea alpina L.), rpy-шанка круглолистная (Pyrola rotundifolia L.), ветреница дубравная (Anemone nemorosa L.), плаун годичный (Lycopodium annotinum L.).
Растительность низинных болот на поймах городских рек представлена преимущественно зелеными гипновыми мхами, осоками, камышом, тростником и рогозом.
В настоящее время первичная растительность на территории города почти не сохранилась. В отличие от любой естественной территории растительный покров города дискретен и состоит из отдельных участков, разделенных между собой массивами зданий и асфальта. На городской территории выделяются массивные, мелкомассивные, островные, линейные и точечные виды зеленых насаждений. На территории Тулы к массивным зеленым насаждениям могут быть отнесены участки леса из липы, дуба и осины, примыкающие к ней с севера и северо-запада и северо-востока Красно воротского лесничества, с востока и юга - крупные участки леса преимущественно из липы и дуба.
Сравнительно крупные по площади мелкомассивные и островные зеленые насаждения сохранились в пределах города в Горелках, Дачном, Высоком, Менделеевском, Скуратовском и Старом Басове. К этой же категории могут быть отнесены насаждения ЦПКиО им. П.П.Белоусова, Чул-ковского и Спасского кладбищ, городского кладбища, садовых участков, расположенных в городской черте и пойменных лесов в долинах р.Упа, Ту-лица и Воронка.
Естественная коренная растительность в виде крупных и мелких массивов сохранилась в основном в парках и на небольших участках невозделанных земель, прилегающих к районам с индивидуальной застройкой. В районах с многоэтажной застройкой города Тулы в результате проводимых мероприятий по озеленению территории коренная растительность исчезает, заменяясь искусственными посадками в виде небольших «островков природы».
Обеспеченность города зелеными насаждениями традиционно определяется площадью зеленых насаждений в пересчете на одного жителя (в расчет берутся насаждения общего пользования - парки, скверы, бульвары, сады). При этом решающее экологическое значение имеют деревья и кустарники, так как обладают наибольшей биомассой. Согласно нормам обеспеченность городских жителей зелеными насаждениями должна составлять не менее 6м2/чел.
В настоящее время эта цифра неуклонно снижается. Изменения вызваны различного рода антропогенными воздействиями: химическим загрязнением среды, биологическими и механическими повреждениями, подтоплением, переуплотнением почвенного покрова и др.
В зонах интенсивного посещения (1000 чел/га) полностью нарушаются естественные условия произрастания растительности - вытаптывается травяной покров, разрушается почва, обнажаются корни деревьев.
Нарушение норм условий произрастания способствует массовому поражению зеленых насаждений болезнями. Животный мир города. Животные, населяющие почву, разносторонне действуют на нее: перемешивают и разрыхляют почвенную массу, способствуют образованию зоогенной почвенной структуры; фитофаги размельчают и ускоряют разложение органической массы.
Животный мир Тулы беден по видовому составу и представлен главным образом почвенной мезо- и микрофауной. Тем не менее, его относительная количественная неоднородность имеет значение при формировании и территориальной дифференциации почвенного покрова города.
Городские почвы - источник ретроспективной и текущей урбоэколо-гической информации
Одной из наиболее характерных особенностей структуры почвенного покрова города, в отличие от естественного, является его прерывистость, фрагментарность распространения. В любом городе наблюдается пространственная смена почв, почвоподобных тел и почво-грунтов фундаментами зданий, коммуникациями, карьерами и запечатанными почвами под дорогами и асфальтово-бетонными покрытиями. Эту особенность распространения почвенного покрова в городах необходимо учитывать при анализе почвенного покрова и подсчетах площадей почв.
Урбанизация и производственная деятельность человека оказали значительное влияние на формирование разнообразного и пестрого почвенного покрова. Это обусловлено также значительно расчлененным рельефом города Тулы, создающим различия в условиях дренирования и характера увлажнения отдельных районов города. Сложность почвенного покрова вызывается и различием и возрастом территорий, от древнего центра города с эволюцией почв на мощном культурном слое до новых районов жилого строительства, где почвообразование начинается на свежих насыпных или перемешанных грунтах. Контрастность и неоднородность почвенного покрова вызвана также и сложной историей развития рельефа, перемешанностью культурных слоев с сериями погребенных разновозрастных исторических почв.
Составленная карта наглядно показывает территориальную дифференциацию почв, природных и техногенных грунтов в пределах города, пространственную долю их природных и техногенных составляющих, эко-лого-географических, архитектурно-планировочных предпосылок их раз мещения. Именно последние факторы, названными выше эколого-геогра-фическими и архитектурно-планировочными предпосылками в целом и определяют наиболее общие закономерности пространственной структуры почв г. Тулы.
Среди эколого-географических факторов в первую очередь следует отметить определяющую роль в территориальном размещении почв элементарных геохимических ландшафтов.
Ввиду нарушенности первичного рельефа города, главным образом его искусственной нивелированности, степень вертикальной расчлененности рельефа города намного ниже, чем догородского рельефа. В городе контрастность рельефа искусственно снижена. Поэтому, вместо классического варианта с выделением автономных элювиальных, транзитных, супераквальных и аквальных элементарных ландшафтов, элементарные геохимические ландшафты города Тулы объединены всего в две группы, которые, тем не менее, адекватно отражают как различия происходящих в их пределах почвообразовательных и почвенно-геохимических процессов, так и пространственную дифференциацию городских почв:
Почвы транзитных ландшафтов рассматриваются в составе элювиальных элементарных ландшафтов. Почвы аквальных ландшафтов в данной работе не рассматриваются.
Автономные элювиальные элементарные ландшафты приурочены к полого-увалистым междуречным поверхностям с глубоким залеганием грунтовых вод. В элювиальные ландшафты вещества извне поступают лишь из атмосферы (осадки, пыль), боковой приток с поверхностными и грунтовыми водами отсутствует. Для них характерны прямые нисходящие водные связи.
Как правило, в элювиальных элементарных геохимических ландшафтах формируются зональные типы почв. Почвы, развивающиеся в элювиальных ландшафтах, обычно в той или иной степени промыты от водорастворимых соединений. В почвах элювиальных ландшафтов на большей или меньшей глубине формируются иллювиальные горизонты, в которых накапливаются вымываемые из верхней части профиля вещества. В определенных условиях часть веществ может выноситься до грунтовых вод. В последнем случае химический состав грунтовых вод в значительной степени зависит от характера процессов почвообразования в элювиальных ландшафтах.
Препятствием для выноса химических элементов из элювиальных ландшафтов является их активная биологическая и пассивная абиогенная аккумуляция. Первая обязана избирательному поглощению ряда химических элементов живыми организмами. Вторая является следствием чисто химических или физико-химических реакций, происходящих при испаре ний растворов, изменении реакции среды, обменных реакциях, сорбции ряда химических элементов коллоидами и т.д.
Подобное разделение способов аккумуляции имеет существенное значение, так как ряды биологического и абиотического накопления элементов, как известно, различны.
Растительность элювиальных ландшафтов активно противостоит выносу ряда минеральных элементов. В условиях борьбы с выносом необходимых элементов происходит отбор растительных форм, способных противостоять этому процессу.
Ряд макро- и микроэлементов, которые удерживаются в сфере биологического кругооборота, остаются и даже накапливаются в подстилках, торфах и гумусовых горизонтах почв.
В элювиальных ландшафтах глубокое положение уровня грунтовых вод и активный водообмен обусловливают господство окислительной среды в почвах. Поэтому здесь облегчается вынос тех химических элементов, которые дают более водорастворимые соединения при высоких степенях окисления (сера, мышьяк, молибден, ванадий и др.), и наоборот, затруднен вынос элементов, окисленные соединения которых малоподвижны (железо, марганец и др.).
Супераквальные элементарные ландшафты формируются на пониженных элементах рельефа, в условиях, где грунтовые воды подходят близко к поверхности и по капиллярам могут подниматься до корнеобитаемого слоя. Для них кроме поступления веществ из атмосферы, характерен приток химических элементов с твердым и жидким стоком из соседних элювиальных ландшафтов.
При внутрипочвенном испарении грунтовых вод растворенные в них вещества накапливаются в наносах, почвах, поглощаются растительностью и обусловливают специфические геохимические черты всего ландшафта. Избыток относительно подвижных элементов, «сбрасываемых» из элювиальных ландшафтов, сказывается и на облике почв и на характере и сложении растительных сообществ. Часто растения находятся в условиях избытка некоторых химических элементов. На жестких водах формируются богатые карбонатами луговые почвы с растительностью, изобилующей различными видами бобовых растений.
В супераквальных ландшафтах возможно значительное накопление химических элементов, обладающих наибольшей миграционной способностью. В супераквальных ландшафтах преобладают обратные водные связи. Продукты выветривания и почвообразования элювиальных ландшафтов поступают с поверхностным и подземным стоком в пониженные элементы рельефа и влияют на формирование супераквальных ландшафтов. Поэтому супераквальные ландшафты именуются подчиненными.
Ландшафты полого-увалистых междуречных равнин, напротив, менее зависят от супераквальных ландшафтов, так как не получают от них химических элементов с жидким и твердым стоком. Поэтому элювиальные ландшафты водоразделов называются также автономными, их почвы образуют центр всего геохимического ландшафта.
На представленной карте цветовая гамма почв как элювиальных, так и супераквальных ландшафтов идентичны. Принадлежность городских почв к супераквальнои группе элементарных геохимических ландшафтов отражена на карте штриховкой.
Наибольшие различия в почвенном покрове элювиальных и супераквальных групп элементарных ландшафтов выражены в количественном плане: примерно около 80% площади всех городских почв формируется в элювиальных ландшафтно-геохимических условиях. В качественном плане эти различия менее заметны. Например, ненарушенные, природные почвы супераквальных ландшафтов представлены дерновыми или пойменными разновидностями, тогда как в элювиальных ландшафтах характерными являются дерново-подзолистые или серые лесные почвы.
Пространственные закономерности почвенного покрова города на примерах почвенных контуров той или иной разновидности охарактеризованы в том же порядке, что и вся совокупность открытых и закрытых природных почв, урбано-почв, почвоподобных тел и грунтов. Характеристика при этом дана в сравнительно-географическом аспекте с широким привлечением как природных, так и техногенных факторов и процессов.
Экологические последствия трансформации природных функций городских почв
Наиболее контрастные геохимические аномалии в почвах г. Тулы (с достаточно четко выраженным ядром и периферией в пределах геохимического поля) характерны для элементов первого класса экологической опасности - Pb, Zn и Hg.
Ореолы аномальных концентраций свинца. Фоновые концентрации свинца в почвах составляет 2,6x10"3%, ПДКРЬ - 3,2x10"3%. Как элемент первого класса опасности для свинца сильный уровень загрязнения почвы достигается уже при КПДКІРЬ = 2-3, т.е. при двух-трех кратном превышении фактической концентрации свинца в городских почвах над фоновыми.
Ореол концентрации РЬ, характеризующий сильную степень аномальности этого элемента в почвах имеет очень сложную конфигурацию, в целом совпадающую со селитебной территорией города. Глубокие выемки в орелое концентрации с низкими концентрациями РЬ (околофоновые концентрации) территориально приурочены к долине р. Тулицы на правобереье, р. Рогожни, Китаевки, Сухой Воронки и Воронки до точки их слияния (рис.3.1).
На территории города, в ее западной части, сильная степень аномальности свинца (Кпдкірь = 2-3) наблюдается, севернее Калужского шоссе и улицы Рязанской, в восточной части - на правобережье Упы.
Ореолы с максимальными концентрациями свинца в почвах (Кпдкірь = 30-90) территориально локализованы, имеют сравнительно небольшие, по сравнению с ореолами сильного уровня загрязнения, площади. Ореолы с максимальными уровнями загрязнения почв в основном находятся на правобережной части города, приурочены к промышленным предприятиям машиностроительного профиля (ЗАО «Зенит, «ТОЗНИБО», ОАО «Тульский завод «Арсенал», АОЗТ ПФ «Туласантехника», ГП «Станколит», ОАО «ТуКЗ»), крупным транспортным магистралям города. На левом берегу к числу предприятий, территориально связанных с сильным уровнем загрязнения почв относятся ОАО «ТОЗ», ОАО «Туламашзавод», ОАО «Тульский завод стройтех 110
Ореолы аномальных концентраций цинка. Фоновые концентрации цинка в почвах составляет 5х10"3%. Как элемент первого класса опасности для цинка, как и для свинца, сильный уровень загрязнения почвы достигается уже при КпдкЬп = 2-3, т.е. при двух-трех кратном превышении фактической концентрации цинка в городских почвах над фоновыми. Ореол сильного уровня загрязнения почв цинком (Кпдкігп = 2-3) намного большей площади, чем аналогичный ореол свинца - почти всю территорию города, за исключением юго-восточной части и северо-востока города. Морфологически ореол имеет сложное строение, характеризуется неправильной формой, глубокими и извилистыми выемками и такими же выступами (при Кпдкігп 8-Ю) и в целом сдвинут в северную половину города.
Ореолы максимальных (Кпдкігп = 10-40 и более) аномалий, преимущественно в центральной части города, территориально более тесно связаны с промышленными предприятиями, чем аналогичные ореолы свинца. Ореолы сильных и максимальных уровней, расположенные в районе ОАО «КМЗ», ГП «Завод Штамп» и ОАО «ТуКЗ» морфологически и морфометрически выражены слабо, занимают сравнительно небольшие площади и отличаются слабой контрастностью (рис.3.2).
Осевая вытянутость ореолов цинка меньше, чем свинца и характеризуются изометричность пространственных форм. Общая направленность длинных осей ореолов также как и ореолов свинца субмеридианальная, с небольшим уклоном на северо-восток.
Ореолы аномальных концентраций ртути. Фоновые концентрации ртути в почвах составляет 2,0x10"6 %. Ореол сильного уровня загрязнения почв ртутью (Кпдк1н8 = 3-5) огромным пятном амебовидной формы покрывает практически всю территорию города (рис.3.3) и это крайне затрудняет ее идентификацию с определенными техногенными источниками загрязнения.
В центральной части ореола сильного уровня загрязнения отчетливо выделяется располагаюшийся симметрично на обоих берегах Упы с северо-запада на юго-восток ореол максимального уровня загрязнения почв (Кпдк 1 Hg = 10-15 и более).
Несмотря на общие, весьма внушительные размеры, ореол ртути малоконтрастный. Тем не менее, повсеместное распространение ртути в почвах города, должно быть предметом дальнейших эколого-биогеохимиче-ских и медико-биологических исследований.
Ореолы аномальных концентраций химических элементов второго класса экологической опасности Ореолы аномальных концентраций меди. Фоновые концентрации меди в почвах - 2,7х10"3 %. Техногенный ореол меди в почвах города характеризуется четкой локализованностью на правом берегу р. Упы и занимает всю северную часть города. Лишь один небольшой и слабовыраженнй ореол островком расположен в южной части города, на левом берегу Упы, в районе ОАО «КМЗ» (рис.3.4).
Достаточным условием для формирования аномалий с сильным уровнем загрязнения в почвах для элементов второго класса опасности является Кпдк2си 5. Ореол с такой концентрацией меди в почвах имеет сравнительно небольшую площадь, но при этом заметно возрастает контрастность ореола.
Ореолы с максимальным уровнем загрязнения почв (Кпдк2си=100-150) территориально тесно связаны с промышленными предприятиями, в частности с АОЗТ ПФ «Туласантехника», ОАО «Тульский завод «Арсенал», ГП «Завод Штамп», ОАО «Тульский патронный завод», ЗАО «Тулаоргтехника», ЗАО «Каландр», железнодорожной сетью, характеризуются сильной контрастностью и изометричными формами.
Ореолы аномальных концентраций никеля. Фоновые концентрации никеля в почвах - 10х10"4%. Морфологически ореол никеля отличается от аналогичного ореола меди и характеризуется большим территориальным охватом, как на уровне сильного, так и на уровне максимального загрязнения почв. Вся северная и восточная часть города имеют сильно загрязненные никелем почвы (Кпдк2м=3-5). На этом уровне территориальная связь загрязнения с промышленными предприятиями только намечается.
Тесную связь с промышленными предприятиями, такими как ОАО «Тульский завод «Арсенал», АОЗТ ПФ «Туласантехника», ООО «Тулауглере-монт», ГП «Станколит», ОАО «ТОЗ», ОАО «Тульский завод стройтехника», ОАО «Туламашзавод», ОАО «Тулаточмаш», ОАО «Ротор», ОАО «Октава», ГП «Миссия» обнаруживают ореолы максимального уровня загрязнения. Здесь КПДК2МІ= 16-20. Ореолы по сравнению с ореолами меди имеют небольшую контрастность, но занимают гораздо большую площадь, особенно в северовосточной части города. В совокупности ореолы с максимальными уровнями загрязнения образуют никелевую дугу вдоль правого берега Упы шириной 0,5-1,5 км (рис.3.5).
Ореолы аномальных концентраций кобальта. Фоновые концентрации кобальта в почвах составляет 6x10"4 %. На уровне сильного загрязнения (Кпдк2со=3-5) геохимические ореолы кобальта отличаются размытостью и слабой контрастностью, хотя в совокупность занимают обширные площади. Связь с промышленными предприятиями наиболее сильна в центральной части города, особенно с ОАО «Тульский завод «Арсенал», ЗАО «Зенит», ТМУП «Стройдеталь», АОЗТ ПФ «Туласантехника», ОАО «ТОЗ», ОАО «Ротор», ОАО «Туламашзавод» (рис.3.6).
Ореолы с максимальным уровнем загрязнения практически не выражены и территориальная связь с промышленными предприятиями не обнаруживается.
Ореолы аномальных концентраций молибдена. Фоновые концентрации молибдена в почвах составляет 6x10 5 %. По сильному уровеню загрязнения почв молибденом (Кпдк2мо=3-5) в города наблюдаются два обособленных ореола, которые расположены на правом берегу Упы. Эти ореолы неправильной формы и вытянуты с север-сверо-запада на юг-юго-востоку.
Внутри каждого из них имеются по 3 локальных, сравнительно небольших по площади ореола изометрической формы, относящихся к максимальному уровню загрязнения (Кпдк2Мо 5). Все ореолы с сильным уровнем загрязнения почв молибденом территориально приурочены к промышленным предприятиям. Наиболее контрастными из них являются ореолы, связанные с ОАО «ТуКЗ», и ГП «Миссия», где Кпдк2Мо составляет 7-25 (рис.3.7).
Ореолы аномальных концентраций хрома. Фоновые концентрации хрома в почвах = 3x10"3 %.
Среди рассматриваемых элементов второго класса экологической опасности хром отличается очень слабым проявлением ореолов концентрации в почвах. Тем не менее, эти ореолы достаточно тесно связаны с промышленными предприятиями, как на правом, так и на левом берегу Упы.
Единственный по всему городу ореол с максимальным уровнем загрязнения (Кпдк2Сг=13-20) и слегка вытянутый в меридианнальном направлении территориально четко связан с ГП «Завод Штамп», ОАО «ТуКЗ», Тул-госНИИточмаш (Сплав), рис.3.8).
Ореолы аномальных концентраций сурьмы. Фоновые концентрации сурьмы в почвах - 1x10 3 %. Сурьма обнаружена в почвах города повсеместно, но в небольших концентрациях. Ореолы с сильным уровнем загрязнения почв сурьмой (Kiwc2sb=3-5) небольшие по площади и сами ореолы малоконтрастные (рис.3.9).
Такие же небольшие по площади и более редкие по встречаемости ореолы с максимальным уровнем загрязнения почв сурьмой (Кпдк28ь 5) территориально приурочены к промышленным предприятиям ОАО «КМЗ», ОАО «Тульский патронный завод», ГП «Завод Штамп».
Ореолы аномальных концентраций бора. Фоновые концентрации бора в почвах - 1x10"3 %. Бор единственный из рассматриваемых химических элементов второго класса опасности, у которого практически отсутствуют ореолы с максимальным уровнем загрязнения почв.
Наибольшие площади ореолов с сильным уровнем загрязнения находятся на левом берегу Упы и более или менее четко выраженной территориальной зависимости с промышленными предприятиями обнаруживают в районах расположения ГП «Завод Штамп», ЗАО «Тулжелдормаш» и др. (рис.3.10).
