Статья по теме:
Исследование и картографирование эколого-биохимических особенностей почв г. Саяногорска
Е. В. Напрасникова, Е. А. Истомина, Институт географии им. В. Б. Сочавы СО РАН
Аннотация
Изложен эколого-биохимический принцип и опыт его реализации в изучении почв урбанизированных территорий в условиях Койбальской степи Красноярского края. Информативными критериями современного состояния городских почв приняты степень биохимической активности почв и щелочно-кислотная обстановка, относящиеся к интегральным показателям. Основополагающей методикой для проведения массовых лабораторных анализов биохимической активности почв, характеризующей большую территорию, явился экспресс-метод Т.В. Аристовской, М.В. Чугуновой. Выявлено, что степень активности изучаемых почв индустриального г. Саяногорска колеблется от низкой до очень высокой. Почвы с высокой активностью преобладают по площади так же, как и оптимальные для этого условия в виде слабощелочной реакции среды. Иными словами, на основе экспериментальных результатов дана количественно-качественная оценка функционирования почв в условиях урбанизации и техногенеза. На базе полученных данных по точечным измерениям в геоинформационной среде методом IDWNearestNeighbors были построены карты изолиний, что является географическим аспектом исследований проблемных территорий. Учитывая специфику промышленности города, было уделено должное внимание содержанию в почве некоторых тяжелых металлов I и II класса опасности с учетом жестких одновременно допустимых концентраций (ОДК) как фона, на котором протекают сложные почвенно-биохимические процессы. Выявлен сравнительно высокий уровень загрязнения почв тяжелыми металлами. Загрязнение почвенного покрова города данными химическими элементами очень мозаично, что согласуется с его гетерогенностью и варьированием щелочнокислотных условий.
Ключевые слова: г. Саяногорск, почвенный покров, биохимическая активность, щелочно-кислотные условия, тяжелые металлы, картографирование.
Введение
почва урбанизация техногенез красноярский
Наблюдение за функционированием почвенного покрова любого города, а особенно индустриального, является своевременной и актуальной научной задачей. Принимая во внимание, что почвы и почвенный покров являются экологическим ядром городской среды и в то же время важным фактором ее экологического состояния, мы продолжаем многолетние исследования. Научная новизна работы заключается в том, что впервые для г. Саяногорска выполнено детальное исследование почвенно-биохимических особенностей с их картографическим отображением.
Проблема особенно актуальна в условиях ранимой природы Сибири, где самоочищающая способность почв снижена. Данная работа является продолжением инициированного цикла статей [8-10], посвященных влиянию процессов урбанизации и техногенеза на незаменимый и неотъемлемый компонент биосферы - почву.
Основная цель представленной экспериментальной работы - изучение и картографирование современного эколого-биохимического состояния почв г. Саяногорска в условиях Койбальской степи Красноярского края.
Основная часть
Подходы, методы и объекты исследования
Поскольку любой подход подразумевает стратегию исследований, целесообразно рассмотреть некоторые исходные методологические предпосылки. Учитывая особенности и отчасти феноменальные свойства почвы, мы выбрали информационный и биохимический подходы.
Одной из основополагающих концепций информационного подхода [11] является концепция о двуединой природе почвы, согласно которой почвенное тело состоит из «почвы-памяти» - комплекса устойчивых свойств и признаков, возникающих в ходе всей истории, и «почвы -момента» - совокупности наиболее изменчивых процессов и мобильных признаков свойств почвы в момент наблюдения. Кроме того, с учетом принципов биодиагностики в свете учения о функциях почв в биосфере и экосистемах [5] информативными критериями современного состояния городских почв нами приняты степень биохимической активности почв (БАП) и щелочно-кислотная обстановка (pH), относящиеся к интегральным показателям. Следует подчеркнуть, что БАП не только интегральный показатель, но и индикатор современного режима и жизни почвы, поскольку уровень ферментов, с которыми сопряжены биохимические процессы, изменяется адекватно изменениям экологических условий, в то время как физические и химические свойства заложены в ее «памяти». Более того, эти показатели характеризуют систему не только с количественной стороны, но и с качественной, так как речь идет о направленности сложных почвенных процессов.
Иными словами, нами осуществлена разработка оперативной оценки почвенно-экологических ситуаций, включающей задачу нахождения интегральных высокоиндикационных показателей. Таковыми оказалась система взаимосвязей биохимической активности почв и их щелочно-кислотных условий. Идея такого подхода была реализована при изучении городов Восточной Сибири и получила освещение в печати ранее [8; 10].
Основополагающей методикой для проведения массовых лабораторных анализов биохимической активности почв, характеризующей большую территорию, явился экспресс-метод Т. В. Аристовской, М. В. Чугуновой [1]. Сущность методики состоит в регистрации скорости (в часах) разложения азотсодержащего органического соединения (карбамида). Данный метод считается весьма чувствительным и позволяет не только выявить различия между контрастными в тех или иных отношениях объектами, но и дифференцировать почвы по их биопотенциалу. Этот способ в определенной степени облегчает задачу оценки современного состояния активности почв в силу своей оперативности и в то же время информативности, так как показывает особенности одного из функциональных звеньев в биогеохимическом цикле азота.
Отбор почвенных образцов и пробоподготовка проводились в вегетационный период на опорных площадках исключительно во всех функциональных зонах города, отражающих максимально возможное разнообразие городской среды и имеющих отличие по степени антропогенного воздействия. Из 10-15 отдельных проб готовился смешанный образец (для снятия гетерогенности среды) согласно методическим указаниям [7].
Щелочно-кислотные условия регистрировались потенциометрическим методом. Концентрация химических элементов определена на приборе Optima 2000DV(оптический эмиссионный спектрометр с индукционной плазмой и компьютерным управлением, фирма PerkinElmerLLC, США) в аккредитованном химико-аналитическом центре Института географии им. В. Б. Сочавы СО РАН.
На основании полученных данных, по точечным измерениям в геоинформационной среде методом IDWNearestNeighborsбыли построены карты изолиний [2].
Методы создания поверхностей заложены во многих ГНС -программах и содержат стандартный набор алгоритмов интерполяции (метод ближайшего соседа, фиксированного радиуса, сплайн и т. д.). В данном случае выбран метод К-ближайших соседей, так как он не требует регулярной сети точечных данных. При расчете значения для определенной ячейки карты учитывались 12 ближайших объектов - точек с известными значениями показателей. Ячейке присваивалось средневзвешенное значение, вес каждого из 12 объектов уменьшался с увеличением расстояния до ячейки. В итоге получены изолинейные карты распределения pH и БАП, характеризующие изучаемые почвы в реальном времени.
Экспериментальными исследованиями охвачен почвенный покров молодого индустриального города Саяногорска в условиях Южно -Минусинской котловины (Республика Хакасия). Котловина относится к числу наиболее освоенных районов юга Красноярского края как в промышленном, так и в сельскохозяйственном отношении. Здесь создан Саяно-Шушенский промышленный комплекс, в Койбальской степи построен Саяногорский алюминиевый завод (САЗ), работающий на полную мощность с 1999 г. Первый алюминий был получен в 1980-х гг.
Город расположен на левом берегу р. Енисея у подножия Саянских гор (в 80 км к югу от г. Абакана) в степной зоне. Саяногорск основан в 1975 г., строился согласно Генплану, предусматривающему в нем десять жилых микрорайонов. Общая площадь города составляет 19 км2. Климат умеренно континентальный. Годовое количество осадков - 250-300 мм, большая часть осадков выпадает в основном в теплый период времени. Продолжительность вегетационного периода - 160 дней.
Почвенный покров района исследований представлен средне- и легкосуглинистыми, реже супесчаными малогумусными черноземами с небольшой мощностью профиля. Преобладают обыкновенные и южные черноземы. В более засушливой части на древнеаллювиальных равнинах распространены темно-каштановые почвы (с разным содержанием гумуса) в комплексе с солончаками, солонцами и солонцеватыми почвами. На территории города естественный почвенный покров большей частью отсутствует.
Почвы селитебных зон различаются по характеру формирования, мощности, свойствам почвообразующего материала и органогенного слоя, по количеству и составу включений (строительный и бытовой мусор, промышленные отходы) и т. д.
Для большинства городских почв характерно отсутствие генетических горизонтов и наличие различных по окраске и мощности слоев искусственного происхождения. Почвы г. Саяногорска в этом плане не являются исключением и представлены, согласно современной классификации и диагностике, в своем большинстве урбаноземами, реплантоземами и культуроземами [12].
Как было отмечено выше, Саяногорск относится к промышленным городам. Здесь развита энергетика и металлургия.
По данным Н. Д. Давыдовой [4], специфическими элементами выбросов САЗа, загрязняющими почвенные растворы, являются фтор и натрий. Уровень содержания водорастворимого фтора в почвах зоны воздействия пылегазовых эмиссий САЗа находится в пределах 1-4 ПДК.
Учитывая специфику промышленности города, было уделено должное внимание содержанию в почве некоторых тяжелых металлов I и II класса опасности с учетом жестких ОДК [3] как фона, на котором протекают сложные почвенно-биохимические процессы.
Современный растительный покров значительно видоизменен деятельностью человека, но при этом сохранил черты коренной структуры. По классификации Е. М. Лавренко [6] степи Южно-Минусинской котловины относятся к настоящим змеевково-тырсовым и вострецово-тырсовым. Следует отметить, что в г. Саяногорске доминируют разнотравно-злаковые растительные ассоциации.
Содоминирующие - злаково-бобовые с ковылем и полынью.
Обсуждение результатов
Изучение состояния окружающей среды городов предусматривает геохимические исследования атмосферы и почв. Техногенез, который включает в понятие антропогенное геохимическое воздействие, параллельно с процессом урбанизации оказывает влияние на территорию. В этой связи, прежде чем перейти к обсуждению основного материала, приведем краткую геохимическую характеристику почв как фона, на котором протекают изучаемые процессы.
Элементы, выбранные для характеристики почв, являются приоритетными не только для металлургической промышленности, но и для потоков, образующихся в ходе хозяйственно-бытовой деятельности городского населения, более того, они входят в перечень СанПиН качества почвы в отношении тяжелых металлов. Ими явились следующие: Гп, Сг, Си, N1, РЬ, СЙ. Значения ОДК взяты из нормативных документов ГН 2.1.7. 2511 -09.
Общий анализ данных по содержанию тяжелых металлов показывает, что все элементы (за крайне редким исключением) превышают ОДК в несколько раз. Так, концентрация Гп в разных пробах превышает ОДК от 1,3 до 20 раз. Содержание Сг превосходит допустимые нормы от 1,3 до 4,5 (реже равно или меньше ОДК). Содержание Си во всех микрорайонах города незначительное (превышает ОДК в 1,3-1,4 раза), а в некоторых почвах ниже его нормативов. Фиксируется повышенное относительно ОДК содержание N1 (от 2,9 до 5,6 раза). При этом важно отметить, что большинство микрорайонов города имеют сходство по концентрации данного элемента в почвах. Содержание РЬ во всех почвенных образцах следует считать высоким. Его количество превышает нормативы на территории города от 1,8 до 5,9 ОДК. Более напряженная картина просматривается с концентрацией СЙ. Данный элемент для всех образцов значительно превышает нормативы и колеблется в широком диапазоне показателей (от 20 до 100 ОДК). Такой уровень содержания элемента приближается к опасному.
Структура загрязнения почв Саяногорска тяжелыми металлами весьма хаотична. Однако один из микрорайонов (Енисейский), расположенный вдоль берега Енисея, можно охарактеризовать как район со сравнительно низким уровнем загрязнения. Сходство с данным районом по уровню загрязнения имеет микрорайон в самом центре города (Центральный). Данный факт можно считать положительным моментом в краткой геохимической характеристике города. Кроме тяжелых металлов, представилась возможность определить содержание нефтепродуктов как дополнительный показатель загрязнения почв индустриального города. Хорошо известно, что величина нефтепродуктов, превышающая 100 мг/кг, уже позволяет считать почву загрязненной. В исследуемых почвах уровень накопления данных продуктов колеблется от 143 до 428 мг/кг. В условно контрольной почве (сопредельная территория города) зарегистрированы значения от 132 до 158.
Определение степени биохимической активности позволило выделить три основные группы почв: первая группа - от 3,5 до 4,5 ч (далее единиц) с очень высокой активностью; вторая - от 5,0 до 6,0 ед. - с высокой и третья группа почв со средней активностью (от 6,5 ед. и более). Что касается промышленной зоны САЗа, то она находится на расстоянии более 15 км от города, и ее исследование является предметом отдельного рассмотрения. В итоге БАП в условиях городских геосистем можно отнести к активным и среднеактивным. Такой уровень активности почв согласуется с щелочнокислотными условиями среды, а следовательно, с оптимумом для протекания гидролитического процесса, связанного с превращением органогенного элемента азота. При этом важно заметить, что если процесс урбанизации усилит данную функцию, то почва может терять азот при разложении азотосодержащих органических веществ. Данный факт будет расцениваться как экологический регресс.