| Результаты этапа: Выполнен основной объем химических анализов для выявления приоритетных элементов-загрязнителей и параметров депонирующих сред на модельных урбанизированных территориях. Исследован фракционный состав тяжелых металлов и металлоидов в придорожной пыли, почвах и техногенных поверхностных образованиях. Собраны картографические материалы и космические снимки, характеризующие ландшафтно-геохимическую структуру изучаемых территорий.
Исследования дорожной пыли Восточного административного округа (ВАО) г. Москвы выявили ее щелочную реакцию (в среднем рН 8,2). Наибольшие концентрации ТМ и металлоидов были установлены для самых мелких гранулометрических фракций РМ1; с увеличением диаметра частиц концентрации всех элементов постепенно уменьшаются. Относительно верхней части континентальной земной коры в гранулометрических фракциях дорожной пыли накапливаются следующие элементы (в порядке уменьшения кларков концентрации): в РМ1 – Ag, Cd, Sb, Zn, Sn, Cu, Pb, W, Bi, Mo; в РМ1-10 – Cd, Sb, Ag, Sn, Cu, Bi, Pb, Zn, Mo; в РМ10-50 – Cd, Sb, Zn, Sn, W, Cu, Mo, Ag, Pb, Bi; в РМ>50 – Cd, Sb, Zn, Cu, Mo, Sn. На экологически наиболее опасные частицы РМ1 и РМ1-10 приходится до 88% Ag; 30-45% Bi, Sb, Cd, As, Sn, Cu, Pb, Co, Ni; 20-30% Zn, Mo, Cr, W; до 20% V, Fe, Mn, Be, Ti, Sr. Полученные данные показали, что воздействие транспорта на окружающую среду проявляется в формировании контрастных аномалий Cd, Sb, Zn, Ag и Sn в гранулометрических фракциях дорожной пыли.
Фракционный состав городских почв в Москве исследовался по данным о распределении наиболее подвижных форм ТМ и металлоидов (вытяжка ААБ с ЭДТА). Техногенная пыль, как правило, сильно обогащена подвижными формами элементов (в единицах фона): Zn(35,5) > Bi(21,9) > As(10,5) > Sb(6,6) > Cu(4,8) > Cd(3,1) > Pb(1,3). Наибольшая подвижность у Cu (34 %), средняя (15-20 %) – у Zn, Pb, Cd и Bi. Относительно малоподвижны Sb и As с долей подвижных форм около 5 %. По сравнению с фоном в городских почвах наиболее сильно увеличивается подвижность Zn (в 6,7 раза) и Bi (в 4,3 раза), подвижность Pb и Cd, напротив, уменьшается, что указывает на преобладание в составе техногенных выпадений слабоподвижных форм этих металлов. Вариабельность концентраций (Сv) подвижных форм ТМ в городских почвах существенно выше, чем валового содержания – от 105 % у Cu и As до 348 % у Bi.
Пространственное варьирование подвижности ТМ при изменении ландшафтных условий и антропогенных факторов на территории ВАО Москвы оценивалось по методу регрессионных деревьев. Анализ подвижности ТМ в зависимости от крупности частиц позволил определить формы элементов в составе тех или иных гранулометрических фракций. Преимущественное поступление Pb со средней пылью, Cd и Zn – с крупной, а As – с песчаной фракцией увеличивает миграционную способность этих металлов в почвах за счет высокой доли подвижных форм элементов в выпадениях, в то время как Cu, As в составе средней пыли, а Sb в мелком песке присутствуют в прочносвязанных формах, которые не извлекаются ААБ с ЭДТА. С ростом содержания оксидов Fe происходит иммобилизация Pb, Zn, Bi. Роль оксидов Mn и почвенного органического вещества проявляется в прочной фиксации Bi и усилении подвижности As. Рост рН и запечатанности почв, изменяющей их окислительно-восстановительный потенциал, напротив, снижает подвижность Cd. Установлено, что благодаря физико-химическим свойствам городских почв поступающие из атмосферы подвижные Pb и As частично нейтрализуются и становятся менее доступными для растений. На основе полученных данных построена карта различных классов педогеохимических барьеров (ГХБ) в ВАО.
Наиболее экологически опасным следствием антропогенного галогенеза в почвах Москвы, вызванного противогололедными реагентами (ПГР), является процесс их осолонцевания, обусловленный вхождением обменного натрия в состав почвенного поглощающего комплекса. Поэтому наряду с засолением почв изучена многолетняя динамика их антропогенной солонцеватости за 21-летний период наблюдений (1989, 2005, 2010 гг.) на территории ВАО Москвы. Коэффициент накопления обменного натрия в городских почвах (по отношению к фону) составлял в 1989 г. – 2,9, в 2005 г. – 4,8, а в 2010 г. приблизился к фоновому уровню. Наиболее высокое содержание обменного натрия (8,60-7,14 моль(экв)/100 г) и максимально высокая степень солонцеватости в верхнем слое почв (21,8 % от суммы ионов) выявлена весной 2005 г. в почвах транспортной и промышленной зон на территории округа. Карты антропогенной солонцеватости почв на территории ВАО Москвы, построенные за три периода наблюдений, показали, что наиболее сильно от вносимых реагентов страдают почвы вблизи крупных транспортных магистралей. На территории СЗАО Москвы впервые определен состав диатомовых водорослей городских почв. Экологические особенности комплекса диатомовых водорослей отражают основные направления техногенной трансформации почв в разных функциональных зонах города и могут использоваться для биоиндикации их состояния. Показано, что в весенний период во всех функциональных зонах города они составляют основу альго-цианобактериальных сообществ, лидируя по видовому разнообразию и относительному обилию в почвах. В почвах большинства функциональных зон преобладают эдафофильные (истинно почвенные) виды и увеличивается число галотолерантных видов – индикаторов сезонного засоления.
Для территории г. Закаменска разработана эколого-географическая ГИС, отражающая физико- и экономико-географические особенности территории исследования и включающая четыре основных блока: планировочно-функциональный, природных условий, ландшафтно-геохимических характеристик и социально-экономических показателей. Визуализация выполнена в современных картографических пакетах MapInfo 11.5, ArcGIS 10.0 и Surfer 11. Составлена карта функциональных зон на территорию г. Закаменска в масштабе 1:50 000. Ее основным источником являются снимки со спутника Landsat-8. При составлении карты использовались методы автоматизированного и визуального дешифрирования. Для автоматизированного составления карт элементарных геохимических ландшафтов, отражающих зоны выноса и накопления поллютантов, в качестве исходных данных использованы сведения об увлажнении территории, крутизне склонов, кривизне земной поверхности, водоразделах, полученные по цифровой модели рельефа (ЦМР) и ДДЗ, в частности, по космическим снимкам. |
| Результаты этапа: В рамках крупномасштабного биогеохимического исследования в Восточном округе Москвы отобраны 26 проб растений листьев клена платановидного Acer platanoides и 49 проб листьев одуванчика лекарственного Taraxacum officinale по регулярной сети с шагом около 500-700 м. В пробах были определены концентрации Fe, Mn, Mo, Cd, Pb, Zn, Cu, As и Sb методом атомной абсорбции после промывания в дистиллированной воде, высушивания и мокрого озоления в растворе HNO3+H2O2. По сравнению с фоном городские клены накаливают Sb, As, Mo, Fe, Zn и Pb, а одуванчики – Mo, Pb, Cd, Fe, As, Sb, Cu. Определена геохимическая специализация растений в различных функциональных зонах округа: промышленной, транспортной, рекреационной, постагрогенной и селитебной высокой, средней и низкой этажности. Наибольшие уровни накопления в листьях клена установлены в промышленной зоне для Sb, As, Mo, Zn, Fe, Cu и Pb, в других зонах величина накопления элементов ниже в 2-5 раз. Для обоих видов характерно рассеяние Mn из-за его антагонизма с Zn и Mo в почвах. Cu не накапливается травянистым видом из-за антагонизма с Mo. Различия в геохимической специализации растений предложено выявлять с помощью соотношения Sb/Mo: в городских одуванчиках оно в 5 раз ниже, а в городских кленах в 4,5 раза выше фонового уровня. Интенсивность биогеохимической трансформации состава растений оценена с использованием интегрального показателя Zv, учитывающего как накопление, так и рассеяние элементов. Наибольшие уровни Zv выявлены в растениях рядом с промзонами и крупными автомагистралями.
Комплексное экологическое исследование почв Северо-Западного округа Москвы показало, что большая часть изученных почв обладает нейтральной реакцией; несмотря на низкие содержания в них водорастворимых солей, существенная доля в составе водной вытяжки ионов Na+ и Cl- свидетельствует об их сезонном засолении вследствие использования противогололедных реагентов. Во всех почвах наблюдаются высокие уровни содержания подвижных форм тяжелых металлов, в том числе Cu, Cd и Cr. Суммарное загрязнение подвижными формами ТМ наибольшее в почвах промышленной и селитебной зон. Почвы разных функциональных зон различаются также по разнообразию микробиоты, в почвах промышленной зоны оно наименьшее. Высокой устойчивостью к комплексному воздействию антропогенных факторов в городских почвах обладают микромицеты с окрашенным мицелием, нематоды, безгетероцистные цианобактерии и некоторые водоросли. Для альго-цианобактериальных сообществ всех изученных почв характерно присутствие галофильных и существенная роль алкалифильных видов водорослей, что свидетельствует об их хроническом сезонном засолении противогололедными реагентами и подщелачивании. Использование физико-химических и биологических показателей позволило выявить степень техногенной трансформации почв в разных функциональных зонах СЗАО. Результаты опубликованы в журнале « Теоретическая и прикладная экология» № 4 за 2015 г.
Изучены экологические последствия многолетнего применения противогололедных реагентов (ПГР) на территории Восточного округа Москвы, проявившиеся в антропогенном засолении и осолонцевании почв. Рассмотрен химический состав вносимых реагентов, уровни содержания и особенности распределения легкорастворимых солей и обменных катионов в снеговых водах и почвах зон различного функционального назначения. Причиной развития засоления и солонцеватости почв служат входящие в состав ПГР смеси солей на основе хлористого натрия и катион натрия, вызывающий диспергацию и пептизацию почвенных коллоидов, которые под влиянием электролитов солей коагулируют, увеличивая плотность почв. Подщелачивание снежного покрова ВАО характеризуется увеличением рН по сравнению с фоном в среднем на 0,6 единиц, средняя минерализация талой воды составляет 19,4 мг/л, что в 2 раза выше фона. По ионному составу снеговые воды относятся к хлоридно-натриевому и хлоридно-кальциевому классам, что объясняется влиянием солей NaCl и CaCl2, доминирующим в составе ПГР.
Городские почвы, наследуя химический состав снега, приобрели нейтральную реакцию (средний рН 7,2), повышенные в 20-16 раз относительно фона минерализацию (15,2 смоль(экв)/кг) и плотный остаток (0,48%). В составе почвенного раствора преобладают ионы Cl и Na с коэффициентами накопления Кс около 100. По данным 2010 г., бóльшая часть городских почв имеет среднюю степень засоления и слабую степень солонцеватости. В почвенном покрове транспортной и промышленной зон сформировались протяженные и контрастные техногенные аномалии солей и обменного Na. Карты содержания легкорастворимых солей и обменного натрия в поверхностном слое почв, составленные на территорию ВАО, показали степень деградации почвенного покрова в результате развития в них антропогенной солонцеватости. Процессы деградации затронули свыше 50 % территории округа. К разряду сильно и средне деградированных отнесены почвы вблизи крупных автомагистралей с общей площадью 22,2%.
Для исследования сезонной динамики накопления легкорастворимых солей за холодный период года на территории Западного округа Москвы в конце апреля и в сентябре проведено опробование почв в трех районах – Крылатском, Можайском и Ново-Пределкинском. Точки опробования выбраны вблизи автодорог с разной интенсивностью движения транспорта: МКАД, на крупных, средних дорогах и во дворах жилых домов с парковками автотранспорта. В Одинцовском районе Московской области отобраны фоновые пробы. Определены основные свойства почв, включая состав водной вытяжки, рН, TDS и гранулометрический состав. Отмечено увеличение щелочности городских почв относительно фоновых аналогов в среднем на 0,8 ед. рН. Превышения концентраций ионов Na+ и Cl- в водной вытяжке над фоном составляют 7-10 и 2-4 раза соответственно. Наибольшие концентрации зафиксированы вблизи крупных и средних дорог. Дворы отличаются меньшими концентрациями этих анионов, превышающими фон в 6,8-1,9 раз. Сравнение полученных величин с аналогичными данными по Восточному округу Москвы за 2010 г. показало существенно меньший уровень засоления почв в ЗАО, что, скорее всего, вызвано рядом аномально теплых зим за последние годы, когда соли использовались сравнительно редко.
Латеральная дифференциация ТМ четко проявляется в «постагрогенной» катене, в транспортной зоне ее интенсивность значительно ниже, а в рекреационной – минимальна. В транспортной зоне с дорогой в автономной позиции концентрации ТМ высоки в непосредственной близости от ее и на подошве склона, где аккумулируются смываемые с вышележащих частей сопряжения частицы. При расположении дороги в подчиненных позициях воздействие на почвы выбросов автотранспорта и элементов, мигрирующих из вышележащих звеньев катены, суммируется. Радиальная дифференциация хорошо выражена в почвах всех функциональных зон. Для почв постагрогенной и рекреационной зон характерен поверхностно-аккумулятивный профиль распределения ТМ, закрепляющихся на педогеохимических барьерах. В транспортной зоне нередок срединно-аккумулятивный тип накопления ТМ из-за обогащенности подстилающего техногенного субстрата многими поллютантами и подсыпки чистого почвенного материала сверху. С помощью регрессионного анализа выявлены кислый (Cr и Sb), щелочной (Cu, Ni, Sr и Zn), органо-минеральный (Ag, Cd, Fe, Mn и Zn), хемосорбционный (все элементы кроме Ag) и сорбционно-седиментационный (Mn, Pb, As, Be, Bi, Co, Sn, Sr, Ti, V, W, Zn, Be, Sn) барьеры.
Современный уровень загрязнения бенз(а)пиреном (БП) снежного покрова на территории восточной Москвы характеризуется интенсивностью его выпадений со снеговой пылью 7,13 нг/м2 в сутки и средним содержанием в твердофазных выпадениях снега 1942 нг/г (данные 2010 г.). Интенсивность атмосферных выпадений БП в холодное время года изменяется от 0,3 до 1100 нг/м2 в сутки. Содержание БП в поверхностном (0-10 см) горизонте почв в 2010 г. равно в среднем 409 нг/г, что превышает фоновый уровень в 83 раза, а ПДК – в 20 раз. Составлены карты и выявлены различия в содержании БП в снеге и почвах разных функциональных зон. Сделан вывод о существенном вкладе атмосферы в загрязнение БП городских почв. На основе оценки запасов в БП почвах и выпадений из атмосферы рассчитаны его критические нагрузки для функциональных зон ВАО в зависимости от интенсивности деградации и времени экспонирования. Установлено, что при интенсивности деградации 1-10 % содержание БП в почвах всех функциональных зон кроме постагрогенной может снизиться до экологически безопасного уровня только за относительно большой временнóй период – многие десятки и сотни лет.
Результаты катенарного анализа в районе воздействия Джидинского ГОКа в г. Закаменске показали, что халькофильные элементы Zn, Mo, Cd, Sb, W, Pb и Bi накапливаются в подчиненных позициях – трансаккумулятивных и супераквальных ландшафтах, где накопление в почвах рудных элементов Mo и W и их спутников Bi и Sb в десятки раз больше по сравнению с элювиальными ландшафтами. Формирование подобных техногенных аномалий связано не только с изменением условий миграции в почвах, но и с наличием хвостохранилищ, материал которых сносится в подчиненные ландшафты. Радиальный анализ выявил слабоэлювиальный тип распределения V, Sr и As во всех геохимических позициях и аккумулятивный у Mo, Cd, W, Pb и Bi. В подчиненных ландшафтах – супераквальных и трансаккумулятивных – Co, Cu, Sn и Cs имеют слабоаккумулятивный тип распределения, а в автономных и транзитных для этих же элементов характерны слабоэлювиальный или равномерный типы.
Определены перечень и содержание карт, необходимых для характеристики ландшафтно-геохимической структуры исследуемой территории горнопромышленного центра Закаменск. На основе ЦМР разработан и апробирован метод составления карты родов элементарных ландшафтов, отражающей дифференциацию территории по условиям миграции и аккумуляции вещества. Установлены параметры природной среды, соответствующие границам родов элементарных ландшафтов: крутизну и характер кривизны поверхности, близость к пойменным ландшафтам и водоразделам. Путем последовательной обработки ЦМР составлены картографические слои, отражающие четыре основных параметра. На основе морфометрического анализа выявлены точки перегиба рельефа и получены градации углов наклона склонов в зависимости от местных природно-геоморфологических условий. В результате на территорию г. Закаменска составлена карта родов элементарных ландшафтов, являющая надежной основой для планирования полевого геохимического опробования и составления других эколого-географических карт. Апробация разработанной методики показала, что для построения карт родов элементарных ландшафтов в масштабе 1:50 000 можно использовать ЦМР «SRTM» с пространственным разрешением 90 м и разрешением по высоте 1 м.
С помощью многофакторного регрессионного анализа установлена связь между уровнями накопления ТМ и комплексом природных и антропогенных факторов. Результаты анализа позволили диагностировать несколько типов геохимических барьеров (ГХБ) в профиле почв. Кислый барьер Е (Cu, Zn, W, Pb) определяется по отрицательной связи с величиной рН, щелочной D – по положительной (Ni, Cd). Хемосорбционный барьер HS для V, Cr, Co, Sr и Ba выделен по связи с содержанием оксидов Fe и Mn. На органоминеральном происходит накопление только Cs в промзоне.
Наиболее значимым фактором аккумуляции Мо и Со является содержание оксидов Fe, причем связь с Fe для этих элементов неодинакова – обратная для Mо и прямая для Со. Для первого максимальное накопление обнаружено в аллювиальных почвах c содержанием Fe2O3 менее 4,75 % на поймах рр. Модонкуль и Джида, находящихся в условиях периодического подтопления. Максимальные значения Cu (344 мг/кг) наблюдаются в кислых условиях (рН<4,25) и при пониженном содержании оксида Mn (< 0,085), что характерно для Джидинского и аварийного хвостохранилищ.
Пространственно-временной анализ состояния здоровья детского населения в возрасте до 14 лет, как наиболее чувствительной к воздействию окружающей среды группы населения, показал, что для Закаменского района характерны повышенные уровни заболеваемости болезнями эндокринной системы и болезнями кожи. Уровень заболеваемости данными нозоформами превышает средний уровень как по России, так и по Республике Бурятия. Особое опасение вызывает крайне высокий уровень перинатальной смертности (более 10 умерших на 1000 родившихся), что указывает не только на неблагополучную экологическую обстановку, но и на отсутствие качественной медицинской помощи в регионе.
Для оценки экологической опасности загрязнения почвенного покрова комплексом ТМ и металлоидов использовались показатели, разработанные для сопряженных эколого-геохимических и санитарно-гигиенических исследований окружающей среды городов: предельно-допустимые концентрации (ПДК) ТМ; коэффициент кратности превышения ПДК Ко=Са/ПДК; интегральный показатель экологической опасности загрязнения почв, который вычислялся относительно глобального фона С и с учетом токсичности поллютантов: ИПЗ=∑(КК*KT)–(n–1), где КК = Са/С – кларк концентрации, n – число элементов c KК > 1, KT – коэффициент токсичности (для элементов I класса опасности равен 1,5; для II – 1,0; для III – 0,5). Необходимость использования помимо суммарного показателя загрязнения интегрального показателя ИПЗ обусловлена спецификой горнопромышленных ландшафтов, а именно, их приуроченностью к металлогенической аномалии. Если показатель Zc характеризует геохимическую трансформацию почв под воздействием техногенных источников, то оценка ИПЗ позволяет определить экологическую опасность повышенного уровня содержания в них ТМ и металлоидов. В качестве эталона в этом случае используются мировые кларки почв, а не региональный фон со значительно более высокими концентрациями ТМ и металлоидов, нередко превышающими санитарно-гигиенические нормативы.
Визуализация почвенно-геохимических данных выполнена методом локальной интерполяции, или кригинга, в пакетах MapInfo 11.5 и Surfer 11. Основой геохимических карт послужили геологическая карта и план города, составленный на основе имеющихся космических снимков из пакета Google Earth. Для предотвращения завышенной оценки загрязнения территории при интерполяции данных не использовались точки с экстремально высокими концентрациями ТМ и металлоидов, во много раз превышающими средний уровень в почвах города. Они выделялись по правилу «трех сигм». На карте они показаны в виде точечных аномалий. На территорию Эрдэнэта составлены карты Zc и ИПЗ, на которых максимальные значения приурочены к территории ГОКа, а минимальные – к юрточной застройке и пастбищам. В отличие от Zc для зоны многоэтажных жилых кварталов характерны не низкие, а средние значения ИПЗ (16-32). 39 % территории характеризуется низким уровнем экологической опасности загрязнения почв (ИПЗ<16), 26 % – допустимым (ИПЗ=16÷32), 15 % – умеренным (ИПЗ=32÷64), и около 20 % – опасным и чрезвычайно опасным (ИПЗ>64). |
