Экогеохимические особенности формирования урбаноземов в условиях криолитозоны (на примере г. якутска)
На правах рукописи
Сивцева Наталья Елизаровна
ЭКОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ
УРБАНОЗЕМОВ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ
(на примере г. Якутска)
03.02.08 – Экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Якутск - 2012
Работа выполнена в ФГАОУ ВПО Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова
| Научный руководитель: | кандидат биологических наук Легостаева Яна Борисовна |
| Официальные оппоненты: | Сазонов Николай Никитич доктор биологических наук, профессор кафедры высокомолекулярных соединений, органической и биологической химии (ВМСО и БХ) СВФУ |
| Арчегова Инна Борисовна доктор биологических наук, профессор, в.н.с. Института биологии Коми НЦ УрО РАН | |
| Ведущая организация: | ФГБОУ ВПО Иркутский государственный университет |
Защита состоится 16 апреля 2012 г. в 10.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.306.03 при ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова» по адресу: 677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58, e-mail: [email protected].
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова» по адресу: 677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58
Автореферат разослан «__»__________2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Данилова Н.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Возрастающий рост городов – гигантов приводит к интенсивному воздействию человека на окружающую среду, как самого мегаполиса, так и обширных пространств вокруг него. Поэтому экологическое состояние городов, включающее антропогенные и природные компоненты экосистемы, является актуальным объектом исследований многих направлений науки. Как правило, площадь воздействия города превышает его территорию в 20-50 раз, пригородные зоны оказываются загрязненными жидкими, газообразными и твердыми отходами, которые образовались в жилой застройке и промышленных центрах (Венедяпин и др., 1994, Мамин, 1995). Возникает проблема необеспеченности городов природно-ресурсным потенциалом, что выражается в недостаточных площадях зеленых насаждений, развитии опасных геохимических почвенных процессов (загрязнение почвы разными поллютантами, нефтепродуктами и т.д.), загрязнении водной и воздушной сред. Это приводит к неблагоприятным условиям для роста и развития биоты и создает угрозу для жизни населения.
Анализ экологического состояния городских земель крупных мегаполисов показал, что в крупных городах, как правило, происходит быстрое падение качества всех компонентов окружающей среды, повышается степень экологического риска вследствие усиления урбанизации и техногенного воздействия на природную среду (Добровольский, 1993). Урбанизированные территории, как уникальный тип природно-технических геосистем, концентрируют максимальное разнообразие видов воздействия человека на почву (Каверина, 2007). В результате антропогенного воздействия почвы на территории города сильно трансформированы – в них нарушено строение и морфология почвенных горизонтов, свойства и режим функционирования или полностью уничтожен естественный почвенный покров отдельных участков, сформированы специфические почвы и почвоподобные тела – урбаноземы (Строганова и др., 1993, 1997).
Целью данной работы является выявление закономерностей формирования, анализ изменения морфологических, физико-химических свойств урбаноземов и эколого-геохимическая оценка состояния территории г. Якутска.
Для достижения цели определены следующие задачи:
1. провести диагностику и классификацию городских почв и почвоподобных образований исследуемой территории;
2. установить закономерности распределения основных физико- химических свойств по профилю городских почвоподобных образований;
3. установить внутрипрофильное и латеральное распределение подвижных форм микроэлементов на территории г. Якутска;
4. дать эколого-геохимическую оценку состояния территории г. Якутска.
Научная новизна работы: впервые проведена диагностика и классификация городских почвоподобных образований мерзлотных областей на примере г. Якутска; изучено внутрипрофильное распределение основных физико-химических свойств и микроэлементный состав урбаноземов с учетом характера образования; построены карты пространственного изменения некоторых физико-химических показателей состояния городских почв и почвоподобных образований с выявлением районов неблагоприятных для проживания; дана эколого-геохимическая оценка состояния урбаноземов на территории г. Якутска с применением суммарного показателя загрязнения почвенного покрова по подвижным формам микроэлементов.
Основные положения выдвигаемые на защиту:
- Пространственная дифференциация урбаноземов г. Якутска подчиняется совокупности условий: степени сохранности исходного почвенного профиля и характеру образования слоев. Внутрипрофильное строение горизонта «урбик» зависит от степени антропогенной нагрузки.
- Почвенный профиль урбаноземов г. Якутска отличается активным развитием процессов поверхностного засоления, определяющих экологическое состояние городских территорий.
Теоретическая и практическая ценность работы. Результаты исследований будут использоваться в различных научно-практических конференциях и для научных работ студентов. Полученные данные составляют основу эколого-геохимического мониторинга почвенного покрова территории г. Якутска. Проведенная оценка состояния грунтов может быть использована для разработки рекомендаций при озеленительных мероприятиях на территории г. Якутска.
Организация, объем исследования и личный вклад автора. Работа выполнена в лаборатории физико-химических методов анализа НИИПЭС СВФУ им. М.К. Аммосова в период 2008-2011 гг. На территории г. Якутска и долины Туймаада отобрано и проанализировано 453 пробы. Все полевые и большая часть химико-аналитических работ выполнены лично автором.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на Республиканских конференциях: X межрегиональной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием (Нерюнгри, 2009); научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов «Отходы в доходы», посвященной «Международному дню Земли» (Якутск, 2010), научно-практической конференции «XIX-XV Лаврентьевские чтения» (Якутск, 2010-2011 гг.); на республиканских Аспирантских чтениях (Якутск, 2009-2010-2011 гг.); научной сессии молодых ученых и специалистов «Экологическое сопровождение схемы комплексного развития производственных сил, транспорта и энергетики РС (Я) до 2020г», посвященной Дню российской науки и 100-летию А.Е. Мординова, (Якутск, 2010); Всероссийских конференциях: с международным участием I Ковалевские чтения «Почвы Сибири: прошлое, настоящее, будущее» (Новосибирск, 2010), VIII Всероссийской конференции «Освоение севера и проблемы природовосстановления» (Сыктывкар, 2011); Международных конференциях: IV и V международной научно-практической конференции «Урбоэкосистемы: проблемы и перспективы развития» (Ишим, 2009, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ, из которых 4 в журналах рецензируемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 142 страницах, содержит 14 таблиц, 49 рисунков. Список литературы включает 125 наименований, в том числе иностранных изданий 10.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Обзор литературы
В разделе 1.1 раскрыта роль городских почв в урбоэкосистеме. Приведены основные функции городских почв, их классификация и структура. Обоснована актуальность работы. Представлен обзор работ, посвященных изучению почвенного покрова как основного компонента экосистемы в различных городах России, в том числе по Москве – Строганова, Мягкова, Агаркова, Прокофьева (1992, 1997, 2003, 2004), Афонина Е.В., Обухова А.И., (1990). Наиболее изученными являются исследования загрязнения территорий городов тяжелыми металлами и оценка состояния городских почв – Мотузова (1988); Никифорова, Лазукова, (1995); Алейникова, (1996); Лукина, Никонов, (1996); Глазовская, (1997); Девятова и др. (1997); Шихова, (1997); Пурдик и др., (2000); Сысо, Ильин, (2001); Убугунов В.Л., Кашин, (2004); Бычинский, Вашукевич, (2008) и многие др..
В разделе 1.2 и 1.3 приведены результаты комплексных экологических исследований на территории Центральной Якутии и долины Туймаада. А также проведено обобщение работ почвенно–экологического и эколого– геохимического характера, отражающих состояние селитебной территории г. Якутска в разный период исследований. Необходимо подчеркнуть, что на первых этапах освоения территории долины Туймаада акцент в изучении природных условий был сделан на описание ее геологического строения и климатических особенностей. Проблемой состояния экосистемы долины Туймаада и г. Якутска, как ее центра, занимаются многие исследователи, в этой связи необходимо отметить работы разных лет: Еловская Л.Г. (1962), Саввинов Д.Д. (1981), Макаров В.Н. (1985, 2009), Шурдук И.Ф., Исаев А.Н. и др. (1993), Кокшарский М.Г., Терентьев В.Н., Легостаева Я.Б. (1996-1998), Саввинов Г.Н., Легостаева Я.Б. и др. (2000-2008), Шадрина Е.Г., Степанова Т.М. (2001-2010).
Почвы г. Якутска как компонент урбоэкосистемы, являются важнейшей составляющей влияющей на рост и развитие биоты и на здоровье населения, который определяет, в свою очередь, и экологическое значение городских почв и почвоподобных образований, как среды обитания. Тем самым формулируется проблема о необходимости разработки принципов экологической оценки городских почв и почвоподобных образований, как активной компоненты современных экосистем, определяющей условия среды обитания и состояния живого мира, в т.ч. и человека.
Глава 2. Характеристика условий почвообразования
Центрально – Якутской равнины
По геологическому строению территория г. Якутска и его окрестностей представляет собой древний прогиб Сибирской платформы, который заполнен морскими отложениями мезозойского возраста, конгломератами, песчаниками, покрытыми сверху более поздними отложениями, главным образом послетретичного периода (песком, лёссовидными суглинками и другими осадочными породами) (Климат Якутска, 1982).
В геоморфологическом отношении территория находится в пределах Центральной Якутии и развивается в природных условиях, характерных для данного региона. При этом важнейшим экологическим фактором почвообразования, определяющим особенности строения, гидротермического режима, физико-химических и биологических свойств мерзлотных почв является мерзлота.
Город Якутск расположен в зоне распространения вечной мерзлоты с мощностью от 200-1500 м. В районе города мощность многолетнемерзлых пород составляет 200-250 м, сезонно-талого слоя 2,5-3 м, а температура на глубине 10 м колеблется в пределах -2… -8°С (Макаров, 1993).
Контрастность и разнообразие природных условий определяют и чрезвычайную пестроту природного почвенного покрова. Формирование долины проходило в несколько этапов, приведших к образованию разновозрастных террас – пойменной и двух надпойменных со слоистыми аллювиальными отложениями, на которых образовались почвы г. Якутска – мерзлотные аллювиальные и мерзлотные глеевые разных подтипов, что придает им зонально – интразональный аспект.
Глава 3. Объекты и методы исследования
Работы выполнены в период с 2008 по 2011 гг. в составе комплексного экологического мониторинга территории долины Туймаада, проводимого сотрудниками НИИПЭС и БГФ СВФУ.
Объектом исследования послужили городские почвы и почвоподобные тела территории города Якутска.
Исследования выполнены в три этапа:
- изучение морфологического строения профиля урбаноземов на территории г. Якутска, с полным морфологическим описанием и погоризонтным отбором проб, всего заложено и описано 19 разрезов;
- исследование на мониторинговых площадках с отбором проб на глубину 0-10 см с изучением содержания подвижных форм микроэлементов, всего за три года отобрано 209 проб;
- детализация территории центрального района г. Якутска с шагом опробования 2 км и отбором проб с поверхности для изучения развития процессов засоления, всего отобрано 174 пробы.
Всего за период исследований отобрано и проанализировано 453 образца, пробоподготовка которых проводилась по ГОСТ 17.4.4.02 – 84. Комплексные химико-аналитические исследования выполнены в лаборатории физико-химических методов анализа НИИПЭС СВФУ в г. Якутск (аттестат аккредитации №РОСС RU.0001.517741 от 15.03.2010). Определение фракционного и валового состава проводились в лаборатории географии и генезиса почв ИПА СО РАН в г. Новосибирск.
Классификация городских почв и почвоподобных образований г. Якутска, проведена с использованием классификации, разработанной группой авторов во главе с профессором Строгановой М.Н. (1993) для почв таежной зоны, но с учетом природно-климатических особенностей Центрально-Якутской равнины.
Для оценки состояния городских почв г. Якутска по морфологическим и физико-химическим показателям, использована система диагностических показателей экологического состояния городских почв предложенная Смагиным А.А. с соавторами (2006).
Эколого-геохимическая оценка состояния почвенного покрова на территории г. Якутска дана с применением двух подходов: санитарно- гигиенического относительно нормативов ПДК или ОДК по содержанию валовых и подвижных форм микроэлементов, и ландшафтно-геохимического с оценкой превышения концентраций относительно фоновых параметров.
Глава 4. Результаты исследования
4.1. Морфологические и физико-химические свойства
урбаноземов г. Якутска
Функциональное зонирование территории является интегральным показателем антропогенного воздействия на почвы и почвенный покров города, т.к. любая хозяйственная деятельность оставляет определенный след в почвенном профиле, который отражает новый тип землепользования, при этом или трансформируя свойства поверхностных почвенных горизонтов, или полностью изменяя почвенный профиль путем образования новых слоев. В результате на территории города формируются искусственные почвоподобные тела – урбаноземы (Строганова и др., 1993), для которых характерен поверхностный 50-сантиметровый и более мощный слой, полученный механическим перемешиванием, погребением или загрязнением природной почвы непочвенным материалом.
Большую часть территории г. Якутска занимает селитебная зона, далее – промышленные и автотранспортные зоны, малая часть осталась под городскими лесами, в частности на территории парка культуры и отдыха (рис. 1.). Толщина или мощность культурного слоя г. Якутска сильно варьирует и колеблется от нескольких сантиметров на окраинах и до 10 м в центре города.
Изучение структуры и строения почвенного покрова г. Якутска выявило их разнообразие и пестроту, где почвоподобные образования классифицируются как урбаноземы состоящие из «законсервированной» минеральной или органо-минеральной части природного почвенного профиля и наслоений разного характера и мощности с примесью различных привнесенных непочвенных материалов.
На территории г. Якутска доминируют урбаноземы и экраноземы различной мощности и характера образования. По способу образования преобладают насыпные и перемешанно-насыпные, по мощности горизонта U («урбик») могут быть как «средние» - 50-100см, так и достаточно «мощные» >100см.
Рис. 1. Функциональные зоны г. Якутска
Характер включений – строительный и бытовой мусор, по количеству включений классифицируется как «много» - 25-50%, гумусный горизонт либо отсутствует, либо развит «слабо» А1<15см.
По морфологическому описанию профиль урбаноземов характеризуется сложным строением, что можно проиллюстрировать на примере некоторых типов:
| L-U1-Ud-UA-Bg |
| Ud-U2-U3-U4-Elu-AB-B1-B2-BCa-BC |
| U1-U2-U3-U4-U5-U6-U7-U8-U9-U10 |
| U1-U2-U3-U4-U5-U6 |
| U1-Uh-U3 |
| L-U2-U3-U4-U5-U6-L2 |
Изучение физико – химических свойств и распределение их по профилю в разных типах урбаноземов выявили как общие тенденции, так и отличия.
Содержание и внутрипрофильное распределение основных оксидов в целом в урбаноземах г. Якутска носит скачкообразный характер, с преобладанием SiО2 (от 30 до 37%), что свидетельствует о преимущественно песчаном грансоставе горизонтов «урбик» (рис.2). Это характерно для всех основных выделенных подтипов, что подтверждается незначительной вариабельностью SiO2/Al2O3 (3,9-7,5).
а) 
б) 
Рис.2. Характер распределения основных оксидов в профиле урбаноземов на мерзлотной аллювиальной почве насыпных (а)
и урбаноземов типичных перемешанных (б)
Во всех подтипах урбаноземов отмечено равномерное распределение по профилю Al2O3 и Fe2О3, что на фоне отсутствия взаимосвязи между слоями объясняется и преимущественно сложившейся слабощелочной и щелочной рН.
В природных условиях в почвенном профиле мерзлотной аллювиальной почвы распределение Al2O3 и Fe2О3, по профилю происходит с величиной достоверности аппроксимации до 0,9, а в профиле урбаноземов на мерзлотной аллювиальной почве даже в нижней сохранившейся части природного почвенного профиля – до 0,1 и меньше, что свидетельствует о хаотичном характере распределения.
Таким образом, в урбаноземах г. Якутска на макроэлементном уровне формирование профиля происходит в условиях постоянного антропогенного привноса и турбирования материала. В результате наблюдается хаотичный характер распределения основных оксидов и отсутствие взаимосвязи между слоями даже в сохранившейся части природного почвенного профиля, где наиболее характерными признаками является: уменьшение общей мощности горизонтов и «спрессованность» оставшейся части профиля, переуплотнение, оглеение и присутствие карбонатов.
Реакция среды в профиле всех подтипов урбаноземов с глубиной меняется неравномерно, и колеблется по слоям в пределах от рН=7,9-9,3 (рис. 3). При этом существует выраженная взаимосвязь между содержанием органики, карбонатов и суммой токсичных солей (рис. 4).
Формирование щелочности почвы зависит от концентрации анионно-катионного состава почвенных растворов и вытяжек (Орлов и др., 2005).
 |  |  |
| а) урбанозем на мерзлотной аллювиальной почве | б) урбанозем типичный перемешанный | в) урбанозем типичный насыпной |
Рис. 3. Изменение значений рН в профиле разных типов урбаноземов
Определенную роль в создании щелочности почв, помимо сульфид-ионов, фосфат-ионов в большинстве случаев играют карбонат-ионы. В профиле урбаноземов Якутска карбонатные горизонты встречаются на разных глубинах, но содержание ионов свободных карбонатов количественно не выше природных аналогов.
Рис. 4. Уровень зависимости изменений рН от вариаций некоторых показателей
в профиле урбаноземов г. Якутска
Отрицательное воздействие на рост и развитие растений оказывает не только количественное содержание легкорастворимых солей, но и их качественный состав, т.е. наличие токсичных солей. Зональные и интрозональные почвы долины Туймаада склонны к засолению, территория города также характеризуется высокой засоленностью – центр города, а также основные улицы являются сильносолончаковатыми. Общая сумма солей колеблется в пределах от 0,5 до 0,8%. На долю хлоридов приходилось от 30- 50%, бикарбонатов – 30-40%, сульфатов – 15-20% от всего количества солей. Среди катионов преобладают натрий и кальций. Надмерзлотная вода находится в среднем ниже 60-80 см. Сравнительный анализ показывает, что за последние 50 лет в составе токсичных солей увеличилась доля сульфатов, которые составляют порядка 40-50%, содержание хлоридов 20-30%, бикарбонатов 30-40% от общего количества солей. Причем, высокое сульфатное засоление фиксируется именно в верхних горизонтах экраноземов, в остальных подтипах урбаноземов встречаются сульфатное, хлоридное и карбонатные типы засоления. Увеличение уровня поверхностного сульфатного засоления, наиболее ярко проявляющегося в экраноземах, связано с режимом переувлажнения почвенного материала, который формируется в результате запечатывания и образования парникового эффекта между «экраном» и надмерзлотным слоем (рис. 5).
 а) урбанозем типичный насыпной |  б) экранозем насыпной |  в) экранозем насыпной |
Рис. 5. Характер распределения суммы токсичных солей (СТС)
по профилю урбаноземов г. Якутска
Закономерности распределения органического вещества по профилю урбаноземов г. Якутска, значительно отличаются от природных почв. Профиль городских почв, как правило, характеризуется наличием органического вещества на разных глубинах, это могут быть и засыпанные природные органогенные горизонты или привнесенный органический материал, например, затеки ГСМ, битумоидов и т.д. Соответственно в таких случаях фиксируются пики содержания – до 4-5% (рис. 6).
Степень разложенности органического вещества в урбаноземах колеблется в пределах С/N=14-15, что по принятой классификации Орлова Д.С, Гришиной Л.А. (1980) характеризуется как очень низкая обогащенность гумуса азотом. При слабой обогащенности гумуса азотом существует ярко выраженная зависимость содержания Сорг. и Nобщ. Поэтому с достаточно высокой степенью вероятности можно предположить развитие почвообразовательных процессов как в насыпных (=0,95), так и в перемешанных урбаноземах (=0,98).
 |  |
| а) урбанозем на мерзлотной аллювиальной почве | б) урбанозем типичный перемешанный |
- содержание гумуса, %; - содержание азота, %;
Рис. 6 Характер распределения гумуса и азота
по профилю урбаноземов г. Якутска
В целом органическое вещество характеризуется очень низким содержанием, от 0,1 до 2-3% – в верхних слоях, и очень слабой степенью гумификации (рис. 7).
| а) содержание гумуса | б) степень гумификации орг. вещества |
Рис. 7. Характеристики органического вещества урбаноземов г. Якутска (n=22)
Урбаноземы г. Якутска отличаются неравномерным характером распределения гумуса и преобладанием его фульватно-гуматного типа (рис. 8).
В урбаноземе насыпного характера преобладает фульватный тип гумуса, а в урбаноземе перемешанного характера - фульватно-гуматный. Урбаноземы типичные перемешанные характеризуется очень высокой степенью гумификации. Тогда как насыпные отличается неоднородной степенью гумификации по слоям, которая варьирует от очень слабой до очень высокой.
 а) урбанозем на мерзлотной аллювиальной почве насыпной |  б) урбанозем типичный перемешанный |
Рис. 8. Распределение гуминовых кислот (ГК), фульвокислот(ФК) и негидролизуемого остатка (НО) в профиле урбаноземов г. Якутска (n=29)
В распределении гуминовых и фульвокислот по профилю урбаноземов не выявлено статистически достоверных зависимостей. При этом урбаноземы перемешанные отличаются высокой коррелятивной зависимостью между гуминовыми кислотами 2 фракции и фульвокислотами 2 фракции (=0,64), а также фульво- и гуминовыми кислотами 3 фракции с более высокой степенью достоверности (=0,74). В урбаноземах насыпного характера эта зависимость выражена слабее (=0,68).
Таким образом, на территории г. Якутска доминируют урбаноземы и экраноземы с преобладающим насыпным и перемешанно-насыпным характером образования с отсутствующим или маломощным органическим горизонтом. Своеобразием строения вертикального профиля урбаноземов является наличие остатков органо-минеральной или минеральной части почвенных профилей мерзлотных аллювиальных и мерзлотных глеевых типов.
Все выделенные подтипы урбаноземов г. Якутска характеризуются неравномерным распределением основных физико-химических свойств, среди которых показатели рН являются индикаторами развития почвообразовательных процессов и отличается активным развитием процессов поверхностного сульфатного и хлоридно-сульфатного засоления.
4.2. Характеристика микроэлементного состава почв
и почвоподобных образований г. Якутска
Городские почвы, как правило, отличаются высоким содержанием валовых подвижных форм микроэлементов, которые поступают из различных источников – антропогенных, промышленных, автотранспортных и т.д. их фиксация в определенных слоях урбаноземов зависит от нескольких факторов - в том числе окислительно-восстановительного потенциала, содержания органического вещества, гран состава и т.д. В результате различных физико-химических и биохимических процессов в городских почвах, многие элементы, обнаруживаются впоследствии в заметных концентрациях даже на больших глубинах. Также благодаря специфическим процессам характерным и для мерзлотных почв и для урбаноземов, таких как протаивание, промерзание, движение твердой фазы по профилю в результате криотурбации происходит миграция микроэлементов по профилю. Показатели содержания подвижных форм микроэлементов, находящихся в знаковых концентрациях и характеризующих микроэлементные ряды накопления в профиле урбаноземов г. Якутска представлены на рис. 9.
Рис. 9. Показатели содержания подвижных форм некоторых микроэлементов в профиле урбаноземов г. Якутска
Для всех типов урбаноземов характерна невысокая зависимость накопления подвижных форм никеля и кобальта от вариаций рН (рис. 10). Выявлены также ассоциации подвижных форм некоторых микроэлементов, например сложившиеся в профиле урбаноземов г. Якутска геохимические условия отражаются на последовательном накоплении подвижных форм следующих ассоциаций: Zn-Pb; Ni-Co-Cd и Cd-Co-Zn. Но при этом распределение микроэлементов и их ассоциации по слоям внутри профиля в каждом типе урбаноземов обнаруживает свои особенности.
| Сорг | рH | Pb | Ni | Mn | Cd | Co | Zn | |
| Сорг | 1 | |||||||
| рH | -0,50 | 1 | ||||||
| Pb | -0,06 | -0,03 | 1 | |||||
| Ni | 0,42 | -0,50 | 0,04 | 1 | ||||
| Mn | -0,16 | -0,01 | 0,28 | 0,33 | 1 | |||
| Cd | 0,23 | -0,45 | 0,40 | 0,50 | 0,06 | 1 | ||
| Co | 0,29 | -0,56 | 0,16 | 0,9 | 0,43 | 0,54 | 1 | |
| Zn | 0,04 | -0,23 | 0,61 | 0,16 | 0,06 | 0,76 | 0,26 | 1 |
Рис. 10. Коэффициент корреляции подвижных форм микроэлементов с содержанием органики и значениями рН в профиле урбаноземов г. Якутска
В целом характер распределения подвижных форм микроэлементов по профилю урбаноземов г. Якутска, носит, как правило, неравномерный, скачкообразный характер (рис. 11). Внутрипрофильное распределение подвижных форм микроэлементов в урбаноземах выявил достаточно высокую степень зависимости от содержания органического вещества (=0,9), гранулометрического состава (=0,8-0,7) и вариаций рН (= -0,7). Причем, в урбаноземах типичных как перемешанного, так и насыпного характера, отмечены схожие тенденции накопления подвижных форм микроэлементов в слоях с большим содержанием средне разложенного органического вещества и нейтральной или слабо кислой рН.
Распределение подвижных форм микроэлементов в зависимости от размера почвенных частиц в разных типах урбаноземов отличается. Например, в урбаноземе типичном пермешанном крупные фракции физического песка характеризуются накоплением подвижных форм Cu и Pb (= 0,5-0,8). А урбаноземы типичные насыпные отличаются накоплением Ni, Co и Mn с аккумуляцией мелкодисперсными частицами (= 0,4-0,6).
 |  |  |  |
 | |||
| а) урбанозем типичный перемешанный | б) урбанозем на мерзлотной аллювиальной почве насыпной | в) урбанозем типичный насыпной | г) экранозем насыпной |
Рис. 11. Внутрипрофильное распределение подвижных форм микроэлементов
в разных типах урбаноземов г. Якутска
Таким образом, микроэлементный состав материала урбаноземов на территории г. Якутска и его внутрипрофильное распределение является результатом специфики формирования техногенных слоев, неоднородности свойств и порций отлагаемого материала, а также погребения подстилающего профиля без значительного преобразования. Формирование микроэлементных ассоциаций – это наследие перемещенного материала отсыпки или поверхностных горизонтов зональных почв, загрязненных антропогенными включениями, что сопровождается значительным содержанием органического углерода, уплотненностью, слабой оструктуренностью и наличием карбонатных включений.
Глава 5. Экологическая оценка территории г. Якутска
Почвенный покров города это самая сложная и неоднородная природно-антропогенная биогеохимическая система. Главная геохимическая особенность промышленного, транспортного и др. воздействия на среду города – это формирование техногенных геохимических аномалий в различных компонентах городского ландшафта. Контрастность и пространственное положение этих аномалий зависит от сочетания функциональной структуры города, определяющей характер ландшафтно-геохимических условий и уровень техногенной трансформации, дифференцирующих это воздействие.
Результаты исследования латерального распределения качественных и количественных показателей почвенного покрова г. Якутска выявили их неоднородность и большую вариабельность, отражающую современное состояние функциональных зон. Порядка 49% территории г. Якутска характеризуется слабощелочной рН (7,5-8,5). Селитебная и промышленные зоны характеризуются преимущественно нейтральной рН, а для автотранспортной зоны города свойственна щелочная среда (например, район Автовокзала, на Автодорожном, Сергеляхском и Вилюйском шоссе, на перекрестках улиц Дзержинского и Кальвица; район Авиапорта).
До 66,9% территории г. Якутска по содержанию гумуса в поверхностных слоях урбаноземов и сохранившихся на окраинах антропогенно-преобразованных почв характеризуется в целом как очень низкое (<2%). Только примерно на 10% территории города отмечено высокое и очень высокое содержание органики (6-10%) – это, как правило, газоны в центре города, где произведена отсыпка «свежим» почвенным материалом при озеленительных мероприятиях, заболоченные участки на окраине города с практически не нарушенными мерзлотными торфяно – глеевыми и глееватыми почвами и территория городского парка культуры и отдыха. По итогам мониторинга за состоянием почвенного покрова на территории г. Якутска за последние три года по содержанию гумуса и значениям рН отмечена относительная стабильность (рис.12).
Рис. 12. Динамика изменения рН и содержания гумуса по средним показателям
Порядка 86% территории г. Якутска характеризуются незасоленной или слабой степенью засоления поверхностных слоев с доминированием в катионно-анионном комплексе хлоридов и сульфатов. Сильная и очень сильная степень засоления отмечена локально, преимущественно в центре города по обочинам дорог, в промышленной зоне и в пригородной зоне дачных участков. По преобладающему типу засоления на территории г. Якутска характеризуется следующим рядом:
хлоридно-сульфатныйсульфатныйсульфатно-хлоридныйхлоридный.
Анализ содержания подвижных форм микроэлементов в грунтах г. Якутска, выявил целый ряд особенностей. На территории города сохраняются высокие концентрации подвижных форм цинка, свинца, марганца, кадмия, никеля, и меди (табл.1). По значению коэффициентов встречаемости (Hi) в почво-грунтах территории г. Якутска абсолютно доминируют цинк и свинец.
Таблица 1
Характер накопления подвижных форм микроэлементов
в поверхностных слоях урбаноземов г. Якутска
| Год исследований | Усредненное значение КПДК/максимальное значение КПДК | ||||||
| Рb | Ni | Мn | Со | Сr | Zn | Сu | |
| 2009 г. (n=32) | 4,1/59,3 | 0,4/2,1 | 0,6/2,8 | 0,2/1,2 | 0,3/1,7 | 1,6/19,8 | 2,8/15,7 |
| 2010 г. (n=33) | 3,1/20,1 | 0,9/2,6 | 0,9/2,7 | 0,2/0,7 | 0,3/0,8 | 0,9/3,4 | 6,7/42,0 |
| 2011 г. (n=59) | 6,3/247,7 | 0,7/1,9 | 1,1/3,4 | 0,5/1,2 | 0,6/5,5 | 1,5/19,6 | 2,4/57,9 |
| Коэффициент встречаемости Hi | |||||||
| 2009 г. | 7,3 | 0,7 | 0,7 | - | 0,8 | 6,3 | 0,9 |
| 2010 г. | 5,5 | 1,4 | 1,0 | 0,6 | 0,9 | 3,5 | 2,1 |
| 2011 г. | 19,7 | 2,7 | 2,7 | 3,1 | 4,4 | 14,5 | 1,9 |
В целом при интегральной оценке всех геохимических показателей можно с определенной точностью утверждать, что основную экологическую опасность представляют тенденции накопления в поверхностных слоях урбаноземов г. Якутска Pb, Zn и Cu.
По величине КПДК и Hi почво-грунты г. Якутска характеризуются по годам исследований разным микроэлементными ассоциациями:
2009 г.: Zn>Pb>Cd>Mn>Ni
2010 г.: Pb>Zn>Cu>Mn>Cd>Ni
2011 г.: Zn>Pb>Cd>Сr>Mn>Co
Для оценки совокупного действия поллютантов в качестве интегрального показателя использован коэффициент суммарного техногенного загрязнения – Zc, рассчитываемый на основе сложения коэффициентов концентрации подвижных форм 8 микроэлементов. Данный показатель при использовании его для оценки воздействия источников загрязнений на окружающую среду является более информативным, так как отражает относительную динамику показателей и учитывает их совместное воздействие.
Выявлена слабая зависимость между увеличением суммы токсичных солей и показателем суммарного загрязнения поверхностных слоев урбаноземов (рис. 13). Причем увеличение степени засоления и накопление подвижных форм микроэлементов наиболее активно прослеживается при Zc 16, что характерно для большей части центра г. Якутска.
Наиболее часто встречающиеся микроэлементы, вносящие активный вклад в загрязнение территории – это цинк, свинец и кадмий. Настораживает тот факт, что все эти элементы относятся к первому классу опасности, реакционноспособны и их высокое накопление представляет угрозу для биоты в целом и здоровья населения в частности.
Рис. 13. Уровень зависимости суммы токсичных солей (СТС) и суммарного показателя загрязнения (Zc)
Территория города Якутска находится в пределах допустимого и умеренного уровня загрязнения (рис.14) с локальными точками возмущения с высокой техногенной и автотранспортной нагрузкой, это районы Авиапорта, ДСК, центр города и свалка «чистого» снега на Объездном шоссе (табл. 2).
Рис.14. Карта-схема экологического состояния территории г. Якутска по суммарному показателю загрязнения почвенного покрова
по результатам исследований 2011 г.
Таблица 2
Характеристика наиболее загрязненных улиц г. Якутска
| Номер точки наблюдения | Привязка точки наблюдения | Zc-образующие элементы | Суммарный показатель (Zc) |
| ГГ-2 | пер-к ул. Автодорожная -Покров. тракта | Pb10,0 Zn5,9 Cd2,3 | 18,2 |
| ГГ-3 | пер-к ул. Короленко - пр. Ленина | Pb13,1Zn7,5Cd1,8 | 22,4 |
| ГГ-4 | пер-к пр. Ленина-ул. Курашова | Zn18,3Pb4,8Cd4,0 | 29,0 |
| ГГ-10 | пер-к ул. Октябрьская - пр. Ленина | Zn23,7Pb8,9Cd3,5 | 38,5 |
| ГГ-22 | ул. Гагарина | Zn12,1Pb8,9Cd3,7 | 26,2 |
| ГГ-33 | пер-к ул. Ильменская – ул. Чайковского | Pb23,2Cu18,5Cd7,5 | 57,6 |
| ГГ-34 | Бот. сад на Покровском тракте | Zn24,7Cd5,2Pb4,4 | 36,1 |
| ГГ-62 | свалка чистого снега на Объездном шоссе | Zn76,9Cr15,7Cd5,6 | 101,9 |
Наблюдаются тенденции к ухудшению экологического состояния требующие дальнейших исследований (табл. 3).
Таблица 3
Характеристика состояния грунтов г.Якутска
по суммарному показателю загрязнения
| Категория загрязнения | Величи-на Zc | Территория г. Якутска (% от т.н.) | Принятые показатели здоровья населения в очагах загрязнения | |
| 2010 г. | 2011г. | |||
| Допустимая | менее 16 | 67 | 53 | наиболее низкий уровень заболеваемости детей и минимальная частота встречаемости функциональных отклонений |
| Умеренная | 16-32 | 23 | 30 | увеличение общей заболеваемости |
| Опасная | 32-128 | 11 | 12 | увеличение общей заболеваемости, числа часто болеющих детей, детей с хроническими заболеваниями, нарушениями функционального состояния сердечно-сосудистой системы |
| Чрезвычайно опасная | более 128 | - | 5 | увеличение заболеваемости детского населения, нарушение репродуктивной функции женщин (увеличение токсикоза беременности, числа преждевременных родов, мертворождаемости, гипотрофий новорожденных |
Изучение эколого-геохимического состояния почвенного покрова городских территорий обосновано как минимум двумя функциями: прямой – как среда обитания микроорганизмов – возбудителей болезней, и косвенной – как депонирующая среда в городской экосистеме, поддерживающая соотношение макро- и микроэлементов в воде, воздухе и продуктах питания (растительности). Качество почвенного покрова влияет на здоровье населения, в том числе на некоторые инфекционные и общие респираторные заболевания. Например, известно, что патогенная микрофлора в городских почвах больше сохраняется в менее кислых условиях.
В городских почвах и почво-грунтах со щелочной рН могут сохраняться возбудители, например, лептоспироза и другие патогенные микроорганизмы с аналогичными требованиями к почвенным свойствам. В условиях непромывного режима территории г. Якутска загрязнение почв и содержание в них патогенных микроорганизмов может оказаться критическим и вызвать массовые заболевания. Помимо этого подвижные формы микроэлементов – это наиболее мобильные химически активные формы, которые мигрируют в грунтовые и поверхностные воды, растительность, и, следовательно, накопление избыточных количеств подвижных форм микроэлементов чревато негативными последствиями.
Выводы
- На территории г. Якутска доминируют урбаноземы и экраноземы различной мощности и характера образования. По способу образования преобладают насыпные и перемешанно-насыпные, по мощности горизонта U – средние – 50-100 см и мощные U >100см.
- Своеобразием строения вертикального профиля урбаноземов является наличие остатков органо-минеральной или минеральной части почвенных профилей мерзлотных аллювиальных и мерзлотных глеевых типов.
- Наиболее характерными признаками законсервированной части почвенных профилей является: уменьшение общей мощности горизонтов, “спрессованность”, переуплотнение, оглеение и присутствие карбонатов.
- Формирование элементного профиля урбаноземов г. Якутска происходит в условиях постоянного антропогенного привноса и турбирования материала. В результате наблюдается хаотичный характер распределения основных оксидов и отсутствие взаимосвязи между слоями даже в сохранившейся части природного почвенного профиля.
- Все выделенные подтипы урбаноземов г. Якутска характеризуются неравномерным распределением основных физико-химических свойств по профилю и отличается активным развитием процессов поверхностного сульфатного и хлоридно-сульфатного засоления.
- Содержание гумуса в урбаноземах достигает 5%, слабой степени разложенности, не обогащено азотом, преимущественно фульватно-гуматного типа. По профилю органическое вещество распределено неравномерно и зависит от характера функциональной зоны города.
- Реакция среды в профиле всех подтипов урбаноземов с глубиной меняется неравномерно, и колеблется по слоям в пределах от рН=7,9-9,3 с выраженной взаимосвязью между содержанием органики, карбонатами и суммой токсичных солей.
- Внутрипрофильное распределение подвижных форм микроэлементов по профилю урбанозема носит хаотичный характер и является результатом специфики формирования техногенных слоев. Характер микроэлементных ассоциаций зависит от материала отсыпки, установлено превышение норм ПДК по подвижным формам Zn, Ni, Mn до 14 раз.
- Неоднородный состав качественных и количественных показателей в латеральном распределении отражает состояние грунтов в зависимости от функциональных зон г. Якутска.
- Территория г. Якутска характеризуется преимущественно допустимым уровнем загрязнения по показателю суммарного загрязнения почв (Zc), поверхностные слои отличаются слабощелочной рН, незасолены или слабо засолены с преобладанием хлоридно-сульфатного типа засоления. Содержание гумуса очень низкое, за исключением участков проведения озеленительных мероприятий и слабо нарушенных территорий.
- Основную экологическую опасность представляют тенденции накопления в поверхностных слоях урбаноземов г. Якутска подвижных форм Pb, Zn и Cu.
- Установленные закономерности формирования разных типов урбаноземов, их диагностика и характеристика эколого-геохимических свойств представляет собой базовую основу для экогеохимического мониторинга на территории г. Якутска и разработки научных основ проведения мероприятий озеленения.
Список основных работ, опубликованных по теме диссертации
Статьи в изданиях, включенных в список ВАК:
1. Легостаева Я.Б., Сивцева Н.Е., Трофимова Л.Н. Экологическая оценка состояния почв по содержанию подвижных форм микроэлементов (на примере долины Туймаада Центральная Якутия) // Проблемы региональной экологии. – М., 2009.– №3. – с.12-14.
2. Легостаева Я.Б., Сивцева Н.Е., Дягилева А.Г., Ксенофонтова М.И., Томская Л.А., Ябловская П.Е. Эколого-геохимическая оценка состояния территорий наиболее крупных населенных пунктов Якутии // Проблемы региональной экологии. – М., 2011.–№4.– с.49-54.
3. Сивцева Н.Е., Легостаева Я.Б., Макаров В.С., Васильев Н.Ф. Экологическая оценка состояния территории г. Якутска по суммарному показателю загрязнения почвенного покрова // Вестник СВФУ.– Якутск, 2011.–№2.– с.30-35.
4. Легостаева Я.Б., Томская Л.А., Ксенофонтова М.И., Сивцева Н.Е., Дягилева А.Г. Эколого-геохимическая характеристика территории газоконденсатных промыслов в пределах северо-таежных ландшафтов Якутии // Наука и образование.– Якутск, 2011.– 2(62).– с.64-69.
Публикации в других изданиях:
- Сивцева Н.Е., Стручкова П.Д. Изучение состояния окружающей территории полигона-1 ТБО «Вилюйский тракт» г. Якутска / Ресурсы недр России: экономика и геополитика, геотехнологии и геоэкология, литосфера и геотехника. – Пенза, 2007.–с.40-44.
- Сивцева Н.Е. Изменение физико-химических свойств почвы как показатель негативного влияния свалки ТБО-1 «Вилюйский тракт» г. Якутска // мат-лы науч.-практич. конф. «Экологическая безопасность Якутии» посвященной 15-летию Института прикладной экологии Севера.–Якутск, 2008.–с.462-468.
- Сивцева Н.Е., Ксенофонтова М.И. Предварительные результаты эколого-геохимических исследований полигона-1 ТБО «Вилюйский тракт» г. Якутска» // сборник научных трудов молодых ученых.– Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2008. – Вып. 2. –с.31-36.
- Сивцева Н.Е. Анализ миграции подвижных форм микроэлементов в гумусово-аккумулятивных почвах Центральной Якутии // мат-лы Всероссийской научной конференции XII Докучаевские молодежные чтения.– СПб, 2009. – С.56.
- Сивцева Н.Е. Городские почвы как основа урбоэкосистемы // мат-лы IV международной научно-практической конференции «Урбоэкосистемы: проблемы и перспективы развития».– Ишим, 2009. – с.62–64.
- Легостаева Я.Б., Сивцева Н.Е. Анализ содержания подвижных форм микроэлементов в почвах пригородной территории г. Якутска // Прикладная экология Севера: экологические проблемы северных городов: мат-лы респуб. науч. - практ. конф., посвящ.50-летию научно-пед деятельности д.б.н., проф., академика АН РС (Я) Саввинова Д.Д. – Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2009.–с.80-86.
- Сивцева Н.Е. Диагностика городских почв на примере г. Якутск // мат-лы XLVII междунар. науч.-практич. конф. «Студент и научно-технический прогресс» посвящ. 50-летию Новосибирского государственного университета. – Новосибирск, 2009. – с.93-94.
- Легостаева Я.Б., Сивцева Н.Е., Трофимова Л.Н., Ксенофонтова М.И. Экогеохимическая оценка состояния селитебных территорий г. Якутск // Бюллетень Моск.общества испыт. природы. Отдел биологический. Экология. Природные ресурсы. Рациональное природопользование. Охрана окружающей среды.– М., 2009.–Т.114.–Вып.3.– Ч.2.–с.14-19.
- Сивцева Н.Е. Предварительные выводы о процессах формирования урбаноземов в условиях криолитозоны (на примере г.Якутск) // Бюллетень Моск.общества испыт. природы. Отдел биологический. Экология. Природные ресурсы. Рациональное природопользование. Охрана окружающей среды.– М., 2009.–Т.114.–Вып.3.–Ч.2.–с.350-353.
- Сивцева Н.Е. Состояние урбаноземов (на примере города Якутск) // Лучшие доклады студентов и аспирантов: материалы студенческой конференции и аспирантских чтений биолого-географического факультета [электронный ресурс]. – Якутск: Изд-во ЯГУ, 2009.–с.28-30.
- Сивцева Н.Е. Состояние урбаноземов г. Якутска // мат-лы X межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов г. Нерюнгри.– Нерюнгри, 2009.– с.276-279.
- Сивцева Н.Е., Легостаева Я.Б., Макаров В.С. Характеристика органического вещества городских почв (на примере г.Якутска) // мат-лы международной конференции «Ресурсный потенциал почв – основа продовольственной и экологической безопасности России».– СПб, 2010.– С.129.
- Сивцева Н.Е. Оценка степени преобразованности урбаноземов в условиях криолитозоны (на примере г. Якутска) // мат-лы междунар. молодежного научного форума «Ломоносов-2009» / Отв. ред. И.А. Алешковский, П.Н. Костылев, А.И. Андреев, А.В. Андриянов. [Электронный ресурс].– М.: МАКС Пресс, 2010.
- Легостаева Я.Б., Макаров В.С., Сивцева Н.Е. Эколого-геохимическая оценка состояния территории г. Якутска и прогноз дальнейшего развития ситуации // Научное обеспечение решения ключевых проблем развития г. Якутска. – Якутск, 2010.– с.185-190.
- Томская Л.А., Легостаева Я.Б., Сивцева Н.Е., Трофимова Л.Н., Канаева А.Н. Оценка состояния почв территорий газоконденсатных промыслов в пределах северо-таежных ландшафтов Якутии // сборник материалов IV междунар. научно-практ. конференции «Наука и современность-2010» / под общ. ред. С.С.Чернова.– Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010.– Ч.2.– с.226-231.
- Сивцева Н.Е. Антропогенная трансформация почв в условиях северных городов (на примере г. Якутск) // сборник материалов Всероссийской конференции с международным участием I Ковалевские молодежные чтения «Почвы Сибири – прошлое, настоящее, будущее».– Новосибирск, 2010.– С.112.
- Ксенофонтова М.И., Сивцева Н.Е., Трофимова Л.Н., Канаева А.Н. Влияние свалки ТБО на Вилюйском тракте и рекомендации по реабилитации территории // Научное обеспечение решения ключевых проблем развития г. Якутска. - Якутск: 2010. – с.205-209.
- Сивцева Н.Е., Легостаева Я.Б., Макаров В.С. Характеристика органического вещества городских почв (на примере г.Якутска) // мат-лы междунар. конференции «Ресурсный потенциал почв – основа продовольственной и экологической безопасности России».– СПб, 2011. – с.463-466.
- Сивцева Н.Е. Особенности почвообразования в урбоэкосистемах Центральной Якутии // мат-лы II Международной научной конференции «Разнообразие почв и биоты северной и центральной Азии».– Улан-Удэ, 2011.– с.123-125.
- Сивцева Н.Е. Особенности формирования урбаноземов г. Якутска // мат-лы VIII Всероссийской конференции «Освоение Севера и проблемы природовосстановления».– Сыктывкар, 2011.– с.153-158.
- Сивцева Н.Е. Классификация и диагностика городских почв г. Якутска // мат - лы научно-практической конференции «XV Лаврентьевские чтения».– Якутск, 2011.– с.115-118.
- Сивцева Н.Е. Экогеохимические особенности формирования урбаноземов в условиях криолитозоны (на примере г. Якутск) // Результаты исследований получателей грантов Президента РС (Я) и государственных стипендий РС (Я) за 2010 год. – Якутск: ООО Издательство Сфера, 2011. – с.149-151.
- Легостаева Я.Б., Данилов П.П., Макаров В.С., Сивцева Н.Е. Природная геохимическая аномальность почв Западной Якутии и ее отражение на состояние территории населенных пунктов алмазной провинции // Сборник материалов науч.-практич. конф. «Проблемы и пути эффективной отработки алмазоносных месторождений». – Новосибирск: Наука, 2011.– с.526-529.
