Глава 21. ГОРОДА И ГОРОДСКИЕ ЛАНДШАФТЫ

Смотрите также:

История атомов и география - Перельман

Геохимия - химия земли

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

Геохимия почвенного покрова

Почвенный покров города — это сложная и неоднородная природно- антропогенная биогеохимическая система. На фоне асфальтированных улиц, площадей, автострад и других искусственных техногенных образований распространены антропогенно-измененные и естественные почвы — во дворах, в парках, на бульварах, пустырях. Продукты техногенеза, выпадая на земную поверхность, накапливаются в верхних горизонтах почв, изменяют их химический состав и вновь включаются в природные и техногенные циклы миграции. О степени техногенной трансформации естественных и слабоизмененных городских почв относительно фоновых почв региона можно судить по характеру их геохимического изменения.

Для формирования геохимического фона городских почв имеет значение длительность и характер развития города. По А.К. Евдокимовой, в культурных слоях Новгорода, Пскова и Самарканда уже в доиндустриальный период антропогенное геохимическое воздействие привело к заметному загрязнению почв тяжелыми металлами (в среднем в 6 — 8 раз выше фона почвообразующих пород). Поэтому почвенный покров древних городов даже с ограниченной современной промышленной нагрузкой может быть существенно загрязнен.

Как правило, техногенные ореолы в почвах фиксируют интенсивность загрязнения в течение последних 20 — 50 лет. Минимальное время формирования контрастных геохимических аномалий зависит от типа воздействия и составляет в среднем 5 — 10 лет, хотя для отдельных элементов (As, Zn) это может быть 1 — 2 года. Ореолы в почвах более стабильны, чем в воздухе, снеге и растениях, так как они способны аккумулировать поллютанты в течение всего периода техногенного воздействия. Поэтому педогеохимическая индикация и картографирование являются одним из основных методов оценки экологического состояния городов. По загрязнению почвенного покрова такие оценки проведены во многих регионах (Ю.Е. Сает, Р.С. Смирнова, Е.П. Сорокина, Н.С. Касимов, В.К. Лукашев, Э.П. Махонько, А.И. Обухов, В. Ленарт и др.).

Техногенная трансформация свойств почв и условий миграции химических элементов. По влиянию на городские почвы М.А. Глазовская объединила техногенные вещества в две группы. Педогеохимически активные вещества преобладают по массе в выбросах, изменяют щелочно-кислотные и окислительно- восстановительные условия почв. Это в основном нетоксичные и слаботоксичные элементы с высокими кларками — Fe, Са, Mg, щелочные элементы, минеральные кислоты. При достижении определенного предела подкисление или подщелачивание сказывается на почвенной флоре и фауне. Педогеохимически активны и некоторые газы, например, сероводород, метан, изменяющие окислительно-восстановительную обстановку миграции.

Биохимически активные вещества действуют прежде всего на живые организмы. Это обычно типоморфные для каждого вида производства высокотоксичные поллютанты с низкими кларками (Hg, Cd, Pb, Sb, Se и др.), образующие более контрастные относительно фона ореолы и представляющие опасность для флоры, фауны и человека.

В городах запыление почв на порядок и более выше, чем в естественных фоновых ландшафтах. В городской пыли преобладают макроэлементы — Fe, Са, Mg. Поэтому существуют два геохимических следствия атмотехногенной поставки пыли в город — ожелезнение почв, практически не влияющее на щелочно-кислотные и окислительно- восстановительные условия миграции элементов, и карбонатизация почв, ведущая к увеличению их щелочности, связыванию многих металлов в труднорастворимые карбонаты, насыщению поглощающего комплекса основаниями.

При значительном и длительном поступлении карбонатной пыли в кислые и нейтральные почвы изменяется класс водной миграции ландшафта. В лесной и лесостепной зонах кислые, кислые глеевые (Н+, Н+ _ Fe2+), нейтральные и нейтральные глеевые (Н+— Са2+, Н+ — Са2+, Fe2+)

классы трансформируются в кальциевые и кальциевые глеевые (Са2+, Са2+ — Fe2+) классы. Такой щелочной тип техногенной трансформации почв изучен В.Г. Волковой и Н.П. Давыдовой в районе Назаровской ГРЭС в Канско-Ачинском районе и О.В. Моисеенковым в г. Тольятти, находящимся под влиянием выбросов цементного завода, а также во многих других городах. Увеличение рН верхних горизонтов кислых лесных почв с фоном 5,5 достигает 2,5 — 3 единиц (21.5). Формируются особые природно-техногенные почвы, сочетающие в морфологии и физико-химических свойствах реликтовые признаки естественных лесных почв (элювиально-иллювиальная дифференциация профиля, кислая реакция средних и нижних горизонтов) и техногенные эпигенетические изменения — нейтральную, слабощелочную и даже щелочную реакции дерновых и гумусовых горизонтов, насыщенность поглощающего комплекса и др. Щелочная техногенная трансформация городских почв ведет к изменению их буферности, увеличению поглотительной способности, то есть к уменьшению выщелачивания и миграционной способности многих поллютантов, прежде всего тяжелых металлов. В степях и пустынях эффекты карбонатизации почв менее заметны.

Загрязнение городских почв макро- и микроэлементами сопровождается трансформацией почвенно-геохимической структуры территории. В первую очередь резко возрастает радиальная геохимическая дифференциация почвенного профиля за счет накопления поллютантов в верхних горизонтах. В дерново- подзолистых и серых лесных почвах техногенная аккумуляция затушевываетфоновую элювиально-иллювиальную

дифференциацию профиля

Наоборот, в черноземах относительно равномерное распределение металлов сменяется поверхностно-аккумулятивным. Атмотехногенное загрязнение автономных почв, усиление ливневого поверхностного стока, подтопление загрязненными грунтовыми водами определяют аккумуляцию токсичных веществ в почвах подчиненных ландшафтов.

Тяжелые металлы в почвах

Промышленность, теплоэнергетика, автотранспорт и муниципальные отходы — это источники техногенных аномалий тяжелых металлов и других микроэлементов в городских почвах. В аномальных зонах наиболее интенсивно импактное воздействие почв на городскую среду, они служат индикаторами техногенного загрязнения и представляют опасность для растений, животных и человека, особенно детей.

Эколого-геохимическое и гигиеническое нормирование

Для оценки контрастности и экологической опасности техногенных ореолов тяжелых металлов в почвах используется несколько подходов. Индикация загрязнения, как и для воздуха и снега, основывается в первую очередь на сопоставлении загрязненных городских почв с их фоновыми аналогами. Это достигается расчетом коэффициента техногенной концентрации или аномальности (Кс), показывающего, во сколько раз содержание элемента в городских почвах выше его содержания в фоновых почвах. Коэффициент Кс отражает интенсивность загрязнения, но не указывает непосредственно на его опасность. Для экологической и санитарно-гигиенической оценки загрязнения почв используются предельно-допустимые концентрации (ПДК) элементов, установленные экспериментально. По М.А. Глазовской, предельно допустимое состояние почв это тот уровень, при котором начинает изменяться оптимальное количество и качество создаваемого живого вещества, т.е. биологическая продукция. Содержание химических элементов в городских почвах нормируется обычно через значения почвенно-геохимического фона, кларки литосферы и предельно- допустимые концентрации для почв одной геохимической ассоциации.

В полиэлементных очагах загрязнения токсичность элементов может суммироваться и оказывать синэргетическое воздействие на живые организмы. Одним из простых способов оценки контрастности комплексных техногенных ореолов является расчет суммарных показателей загрязнения (Zc) почв относительно фонового уровня по той же формуле, что и для воздуха и снега. По этому показателю можно сравнивать степень загрязнения почвенного покрова городов.

Особенно контрастные аномалии образуют подвижные формы металлов, извлекаемые различными растворителями. Эти формы доступнее для организмов и экологически более опасны. Однако из-за варьирования содержания и разнообразия методов экстракции металлов из различных почв, надежные предельно-допустимые концентрации подвижных форм тяжелых металлов не установлены.

Загрязнение почв тяжелыми металлами

Почвенно-геохимический анализ состояния городской среды начинается со сплошного сетевого опробования поверхностных         горизонтов (О — 5 см) почв с учетом ландшафтной ситуации и функциональных зон. Густота сети зависит от масштаба исследований и обычно колеблется от 1 до 10 точек на 1 км2. Реальная картина загрязнения почв среднего промышленного города получается при сети 500 х 500 м, т.е. 9 проб на 1 км^, что позволяет дифференцировать территорию города на районы с различными уровнями загрязнения.

Почвенный покров большинства городов аномален по тяжелым металлам. Геохимическое опробование почв г. Тольятти (около 1000 проб) показало, что от 30 до 80% территории города занято техногенными аномалиями отдельных тяжелых металлов небольшой контрастности. Вокруг промышленных предприятий и других техногенных источников формируются зоны более сильного загрязнения. Поэтому на следующем этапе работ проводят оценку аномальных полей с идентификацией источников загрязнения. Затем обычно исследуются механизмы миграции и концентрации поллютантов, степень их техногенной геохимической трансформации, что завершается почвенно-геохимическим зонированием территории города с учетом природных факторов, влияющих на загрязнение.

Основным методом интерпретации и анализа полученных данных является почвенно-геохимическое картографирование. Составляются как моноэлементные карты, на которых изолиниями или сплошным фоном показаны зоны загрязнения отдельными элементами, так и карты суммарного загрязнения почв города несколькими элементами по значениям показателя Zc.

Наиболее высокие средние уровни суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами (Zc больше 120, до 500 — 1000) в городах с цветной и черной металлургией (Чимкент, Усть-Каменогорск, Мончегорск, Белово, Магнитогорск и др.), где в эпицентрах аномалий содержание металлов в десятки раз выше ПДК. Сильное загрязнение характерно также для центров тяжелого машиностроения, приборостроения, нефтехимии, где средние уровни составляют десятки, а максимальные — первые сотни условных единиц. Для городов с предприятиями химической промышленности характерно сильное загрязнение сероводородом, ацетоном, фтором, аммиаком и др. специфическими газами и более низкие уровни загрязнения тяжелыми металлами. Обычно их аномальные поля примыкают непосредственно к промышленным зонам.

Наряду с выбросами предприятий в промышленных городах имеются участки, где складируются открытым способом бытовые и промышленные отходы (шлако- и золоотвалы, хвостохранилища, свалки). По концентрации (сотни и тысячи кларков) и комплексу тяжелых металлов аномалии здесь не уступают выбросам, являясь источниками повторной эмиссии в окружающую среду. В результате воздушной и водной миграции техногенные ореолы вокруг отвалов и свалок по площади в несколько раз больше территории, отведенной под отходы.

Особенно контрастны ореолы подвижных форм металлов. Их коэффициенты техногенной концентрации Кс в 5 — 10 раз выше, чем у валовых форм (21.8).Исследование почв Братска, Калининграда, Улан-Батора показало увеличение контрастности техногенных аномалий в ряду: валовые формы — непрочносорбированные формы (экстрагируемые однонормальной соляной кислотой) — органо-минеральные (ЭДТА-растворимые) формы — карбонатные и обменные (ацетатнорастворимые) формы (Н.С. Касимов, М.Ю. Лычагин). Лучшая индикация почв — по непрочносорбированным формам.

Распределение подвижных форм элементов во многом определяется и ландшафтно-геохимическими условиями. Особенно интенсивны аномалии в почвах автономных ландшафтов и наветренных к техногенным источникам склонов, а также в городских супераквальных ландшафтах — на побережьях рек, озер и водохранилищ, куда загрязители поступают с поверхностным, внутрипочвенным и грунтовым стоком.

Особые виды загрязнения формируются в городах рудных провинций, районов с горнодобывающей и металлургической специализацией. В них на высокие природно-аномальные концентрации рудных элементов накладывается техногенное загрязнение этими же элементами от обогатительных фабрик и металлургических заводов. Такая кризисная экологическая ситуация сложилась, например, в г. Моа на северо-востоке Кубы — крупном центре добычи никелевых руд и производства никеля. Руды Ni сформировались в ультраосновных породах, изначально богатых Ni, Сг и Со. Город Моа расположен на флангах одного из месторождений. Выбросы двух никелевых комбинатов содержат высокие концентрации Ni, Cr, Cd, Со. Характерна низкая контрастность техногенных аномалий рудных элементов в городских почвах (всего лишь в 3 — 8 раз выше природно-аномального "фона") при очень высоких концентрациях валовых и подвижных форм Ni и других поллютантов. Для таких городов при оценке суммарного загрязнения металлами вместо коэффициента аномальности (Кс) лучше использовать нормирование через кларки литосферы, указывающие на степень отклонения местных рудогенно-техногенных аномалий от нормального (околокларкового) экологического уровня содержания тяжелых металлов в почвах и породах.

ПАУ в почвах

Концентрации и состав ПАУ в почвах являются важным геохимическим индикатором загрязнения. Исследования в Среднем и Нижнем Поволжье, Приангарье показали, что фоновые значения суммы ПАУ в различных типах почв колеблются от 5 до 20 нг/г (Е.М. Никифорова, Ю.И. Пиковский). Особенно токсичны 5 — 7 ядерные структуры — 3,4-бензпирен, 1,12-бензперилен и др., составляющие обычно не более 10 — 20% от суммы ПАУ. В городах автотранспорт и промышленность повсеместно загрязняют почвы ПАУ. В промышленных городах концентрация ПАУ в почвах вокруг техногенных источников в десятки и сотни раз превышает геохимический фон (21.9). Аномалии приурочены преимущественно к самым верхним дерновым и гумусовым горизонтам, ниже по профилю содержания ПАУ резко падают. Наиболее контрастны техногенные аномалии 5 — 7 кольчатых голоядерных ПАУ (3,4-бензпирена, 1,12-бензпена, тетрафена, трифенилена), что позволяет четко индицировать источники загрязнения.

Состав ПАУ в загрязненных почвах рационально использовать для оценки их экологического состояния. Так, по А.Н. Геннадиеву, И.С. Козину и др. за 2 года деятельности Астраханский газоконденсатный комбинат в несколько десятков раз увеличил содержание техногенных голоядерных структур ПАУ (пирена, фенантрена, в некоторых случаях 3,4-бензпирена и др.) в верхних горизонтах пустынных почв. Уменьшение соотношения природных и техногенных ПАУ, например, сложных алкилированных фенантренов к незамещенному фенантрену, служит чувствительным геохимическим индикатором самых первых стадий техногенного загрязнения. В почвах городов техногенные аномалии ПАУ сопоставимы по контрастности с аномалиями тяжелых металлов или они даже более контрастны (для формирования аномалий металлов требуется большее время).

К содержанию книги: А.И. Перельман, Н.С. Касимов - Геохимия ландшафтов