Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по земле  

На правах рукописи

ОСИНА Дарья Евгеньевна

ЭКОЛОГО - ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАНДШАФТОВ СЕВЕРА СРЕДНЕРУССКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ

25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук

Москва 2012

Работа выполнена на кафедре геологии и геохимии ландшафта географического факультета ФГБОУ ВПО Московский педагогический государственный университет

Научный руководитель: кандидат географических наук, профессор

Алещукин Лев Васильевич

Официальные оппоненты:         Мельчаков Юрий Леонидович

доктор географических наук, профессор

ФГБОУ  ВПО Уральский государственный педагогический университет, географо-биологический факультет, кафедра физической географии, профессор кафедры

Новиков Анатолий Петрович

кандидат географических наук, доцент

ФГБОУ ВПО Московский государственный областной университет, географо-экологический факультет, кафедра геологии и геоэкологии, доцент кафедры

Ведущая организация:                Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН

Защита состоится л17 декабря 2012 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 212.154.29 при ФГБОУ ВПО Московский педагогический государственный университет по адресу: 129626, г. Москва, ул. Кибальчича, д. 16, ауд. 31

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московский педагогический государственный университет по адресу: 119991, г. Москва, ул. Малая Пироговская, дом 1, стр. 1.

Автореферат разослан л____ ноября 2012 года

Ученый секретарь

диссертационного совета  Роготень Наталья Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Природные ландшафты севера Среднерусской возвышенности на протяжении длительного времени испытывают интенсивное техногенное воздействие. Увеличение воздействия человека на природную среду привело к существенным изменениям экосистем, что отразилось не только на состоянии локальных участков, но и затронуло более обширные пространства.

Особый научный и практический интерес представляет определение степени трансформации и изменения основных компонентов антропогенных ландшафтов, расположенных в пределах исследуемой территории, по сравнению с фоновыми. Эколого-геохимические изменения техногенных ландшафтов могут быть объективно рассмотрены только при исследовании геохимических процессов в естественных геосистемах.

Комплексные эколого-геохимические исследования природных биогеосистем, подверженных воздействию промышленных предприятий, позволяют выявить особенности накопления и миграции химических элементов в пределах систем элементарных ландшафтов, оценить объемы загрязняющих веществ, депонированных в их основных компонентах (Скарлыгина-Уфимцева М.Д., 1980; Сает Ю.Е. и соавт., 1990; Водяницкий Ю.Н., 2010). Установление эколого-геохимических особенностей природных и техногенно измененных ландшафтов позволяют прогнозировать дальнейшие изменения в пределах данных природных комплексов и рекомендовать методы и приемы их восстановления (Мелихов И.С., 1961; Красовская Т.М., Евсеев А.В., 1990; Глазов М.В., 1997; Мотузова Г.В., 2000, 2001; Никонов В.В. и соавт., 1999, 2005).

Цель и задачи исследования. Целью исследований является проведение комплексного ландшафтно-геохимического исследования и оценка эколого-геохимического состояния ландшафтов севера Среднерусской возвышенности. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Рассмотреть физико-географические условия и ландшафтную структуру изучаемого региона в ходе полевых исследований и работы с литературными источниками;
2. Исследовать почвенный покров региона, выявить особенности распространения основных типов почв на уровне морфологических и физико-химических характеристик;
3. Определить концентрации кислоторастворимых (подвижных) форм меди, цинка, свинца и марганца в почвах и снеге;
4. Определить содержание меди, цинка, свинца и марганца в вегетативных органах растений, произрастающих на незагрязненных участках, а также интенсивность биологического поглощения этих микроэлементов основными видами покровообразующих растений;
5. Изучить геохимические особенности антропогенно преобразованных территорий севера Среднерусской возвышенности;
6. Оценить степень геохимической трансформации антропогенных территорий на примере почв, растений и снежного покрова;
7. Составить картосхемы распределения загрязнения тяжелыми металлами территории крупного населенного и промышленного центра региона (на примере г. Калуга).

Объекты исследования. Объектами исследования являлись зональные ландшафты смешанных и смешанно-широколиственных лесов, азональные ландшафты пойм, расположенные в пределах территории бассейнов рек Угры и Жиздры, а также сельскохозяйственные и антропогенные ландшафты (в т.ч. в пределах г. Калуги).

Методы исследования. Полевые исследования проводились автором в 2009-2012 гг. на территории Калужской области. Участки детальных фоновых исследований были расположены на северных склонах Среднерусской возвышенности в долине рек Угры и Жиздры. В ходе полевых исследований были заложены трансекты, в пределах которых проведен комплекс детальных исследований. Данная территория расположена в границах национального парка Угра и принята нами за условно фоновую - незагрязненную. Исследования ландшафтов, подверженных интенсивному техногенному воздействию, проводились на территории г. Калуги, где было заложено более 50 опорных точек. На всех точках условно фоновой территории проводился отбор образцов генетических горизонтов почв (более 100 образцов), покровообразующих растений (более 60 образцов), снега (более 10 образцов). На территории г. Калуги отбирались образцы почв верхней части горизонта U с глубины 0-5 см и 20-25 см (более 120 образцов), растительности (более 20 образцов) и снега (более 60 образцов). Также был произведен отбор почвенных образцов из ландшафтов, испытывающих сельскохозяйственную нагрузку (40 образцов).

Весь комплекс аналитических исследований выполнен автором в лаборатории кафедры геологии и геохимии ландшафта МПГУ. Выводы базируются на более чем 3650 элемент-определений.

Научная новизна. Впервые для данного региона проведено комплексное эколого-геохимическое исследование компонентов природных и антропогенно трансформированных ландшафтов.

Изучение основных эколого-геохимических параметров почв, покровообразующих растений и снегового покрова фоновых ландшафтов, расположенных в пределах севера Среднерусской возвышенности, свидетельствует о том, что все компоненты ландшафта претерпевают незначительное изменение. Наиболее заметные антропогенные изменения отмечены в урбоэкосистемах г. Калуги. Установлено, что техногенное воздействие способствует накоплению кислоторастворимых форм тяжелых металлов. Выявлены особенности латеральной и радиальной миграции рассеянных элементов в пределах систем геохимически сопряженных ландшафтов.

Практическая значимость исследования. Фактический материал, полученный в ходе исследования, может быть использован как база данных при дальнейшем изучении рассматриваемой территории. Результаты исследований использованы при подготовке ежегодного отчета министерства экологии и природных ресурсов О состоянии природных ресурсов и охране окружающей среды на территории города Калуга в 2011 году, внедрены в практику научной работы национального парка Угра (справка № 5 от 02. 08. 2012 г.).

Результаты исследований представлены в министерство природных ресурсов, экологии и благоустройства Калужской области и используются для экологического мониторинга состояния окружающей среды, ранее не существовавшего в данном регионе. Результаты авторских исследований приняты Комитетом по охране окружающей среды и контролю в сфере благоустройства управления городского хозяйства г. Калуги и используются в практической работе комитета (справка о внедрении №13 от 22.03.2012 г.).

Защищаемые положения:

1. Разнообразие ландшафтообразующих факторов в пределах севера Среднерусской возвышенности предопределило возникновение сложных биогеосистем, сочетающих в себе элементы ландшафтов свойственные лесной и лесостепной зоне.

2. Почвы незагрязненных территорий региона характеризуются слабокислой реакцией среды и значительным содержанием поглощенных форм кальция и магния при низкой концентрации органического углерода.

3. Содержание тяжелых металлов в почвах фоновых территорий составляет единицы мг/кг для Cu, Zn и десятки и сотни мг/кг для Mn. В растениях концентрация указанных элементов определяется десятками-сотнями мг/кг, сотнями мг/кг и тясячами мг/кг соответственно.

4. Концентрации тяжелых металлов в почвах и растениях г. Калуги превышают природные концентрации по меди в 13 раз, цинку в 9 раз, свинцу в 10 раз и марганцу в 2 раза.

5. Использование различных методик классификации загрязнения почв тяжелыми металлами позволило выявить оптимальные подходы для картирования каждого из исследованных элементов и диагностики пространственного распространения загрязнений.

Апробация работы. Основные результаты проведенного исследования докладывались на заседании комиссии геохимии ландшафта Московского центра Русского географического общества (2012 г.), на заседаниях кафедры геологии и геохимии ландшафта МПГУ (2010, 2011 гг.), на научных чтениях МПГУ (2010 г.), на I Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых Индикация состояния окружающей среды: теория, практика, образование (Москва, 2010), на Международной конференции Ресурсный потенциал почв - основа продовольственной экологической безопасности России (Санкт-Петербург, 2011), на Международной научной конференции XV Докучаевские Молодежные чтения Почва как природная биогеомембрана (Санкт-Петербург, 2012г.), на XI Всероссийской выставке Научно-технического творчества молодежи на ВВ - (Москва, 2011г.).

Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ общим объемом 1,6 п.л., в том числе две в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 160 страниц машинописного текста, включая 12 таблиц, 70 рисунков. Список литературных источников включает 205 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, определены цель, задачи, объекты и предмет исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, обоснованы научная новизна и практическая значимость результатов проведенного исследования.

В первой главе диссертации подробно рассматриваю физико-географические условия севера Среднерусской возвышенности. Площадь исследований составляет 1200 км, в том числе 1000 км, принадлежащие национальному парку Угра. Геолого-геоморфологическая неоднородность исследуемой территории обусловлена тем, что в ее пределах расположены две геоморфологические области: Среднерусская возвышенность и Угорско-Протвинская низина. К коренным отложениям, выходящим на поверхность или залегающим под толщей четвертичных отложений, относятся нижнекаменноугольные известняки и доломиты, имеющие повсеместное распространение. Рельеф дочетвертичной поверхности сформировался в позднекайнозойское время под влиянием неотектонических движений, дочетвертичных денудационно-аккумулятивных процессов, на которые существенно влиял литологический состав пород и экзорационная деятельность плейстоценовых ледников (Петров В.Г., 2003).

Четвертичный комплекс представлен валунными суглинками основных морен, глинисто-песчаными отложениями водно-ледниковых потоков и ледниковых озер, современным аллювием рек и озерно-болотными осадками. На юге - в Жиздринской части распространены моренные отложения днепровского горизонта. В северной, Угорской части, местами перекрывая отложения днепровского возраста, залегают отложения московского горизонта. Четвертичные отложения, имеющие пестрый литологический и вещественный состав, представлены глинами, суглинками, супесями и песками, в различной степени насыщенными валунно-галечниковым и гравийным материалом. Болотные образования состоят главным образом из осоковых и древесных торфов.

Согласно климатическому районированию Б.П. Алисова (1945), север Среднерусской возвышенности, расположенный в пределах умеренного климатического пояса с четко выраженными сезонами года, характеризуется теплым летом, умеренно холодной с устойчивым снежным покровом зимой и хорошо выраженными, но менее длительными переходными периодами - весной и осенью (Бочкарева Н.Ф., 2003).

Основой гидросети региона является р. Ока и ее крупные притоки - Угра и Жиздра, которые относятся к бассейну внутреннего стока. Главная роль в питании рек принадлежит талым снеговым водам. Заболоченность исследуемой территории невелика. Основная часть болот, среди которых нет крупных болотных комплексов, находится в бассейне р. Угры (Семенов В.А., Семенова И.В., 2002).

Исследуемая территория входит в зону смешанных лесов. Общая залесенность территории составляет около 63 %. Согласно геоботаническому районировании. Калужской области, территория Угорского участка детальных исследований (Смоленско-Московская возвышенность) относится к подзоне смешанных хвойно-широколиственных лесов и находится в болотно-лесном елово-дубовом округе (северо-западная часть) и лесном елово-дубовом округе (юго-восточная часть). Преобладающими типами лесорастительных условий (экотопами) являются сложные ельники; на склонах и холмах, сложенные водно-ледниковыми песками - сложные сосняки и сухие боры-беломошники. Жиздринский участок детальных исследований (Среднерусская возвышенность) расположен в подзоне широколиственных лесов. На севере Жиздринского участка произрастают сосняки и березняки. Значительные площади исследуемой территории занимают луга (Соловьева М.П., Хомутова М.С., 1970).

На изучаемой территории наиболее распространенными являются дерново-подзолистые почвы различного механического состава и степени оподзоленности. Преобладают дерново-среднеподзолистые, значительно реже встречаются слабо- и сильнооподзоленные. Распространены также серые лесные, полуболотные и болотные, дерновые, луговые, подзолистые, черноземовидные, бурые лесные почвы и некоторые другие (Герасимова М.И., 1987).

Вторая глава диссертации посвящена описанию методов, использованных при проведении полевых и лабораторно-аналитических работ. За основу полевых исследований была выбрана методика выделения трансект. На исследуемой фоновой территории было выделены и изучены четыре участка детальных исследований: северный - Угорский (правый и левый берега р. Угры) и южный - Жиздринский (правый и левый берега р. Жиздра) (рис. 1).

В пределах каждой трансекты были заложены почвенные разрезы, приуроченные к разным элементарным ландшафтам - от автономного, трансэлювиального до супераквального. В каждом почвенном разрезе из выделенных генетических горизонтов были отобраны почвенные образцы. Отбор почвенных образцов проводился по общепринятой методике (Агрохимические методыЕ, 1960; Методические рекомендацииЕ, 1981; Фомин, 2001) и сопровождался подробным описанием генетических горизонтов. С каждой точки отбирались образцы растительности в количестве 300 г сырой массы. Всего с фоновой территории было отобрано более 100 образцов почв, более 60 образцов основных покровообразующих растений и более 10 образцов снега.

Рисунок 1. Расположение почвенно-геохимических катен на исследуемой территории

На территории г. Калуги было отобрано более 120 проб почвы в разных районах города: селитебных зонах, на территории ряда промышленных предприятий, вдоль автомобильных дорог. Отбор производился с глубины 0-5 см и 20-25 см., более 50 образцов снега и 20 образцов растительности.

В солянокислых вытяжках (1 н. НCl) на атомно-адсорбционном спектрометре Спектр-5-3 в почвенных горизонтах и почвообразующих породах определялось содержание кислоторастворимых форм Cu, Zn, Mn, Pb.

Растительный материал подвергался сухому озолению по общепринятой методике при температуре 350-400 С. В солянокислой вытяжке (10 % НCl) из золы определялись Ca и Mg (колориметрический метод), Cu, Zn, Mn, Pb (спектрометрический метод) и Fe (фотометрический метод).

Исследования талой снеговой воды включали в себя комплекс гидрохимических анализов (определение основных анионов и катионов, общей минерализации) и определение тяжелых металлов (Cu, Zn, Mn, Pb) и Fe.

Полученные аналитические данные обрабатывались методом математической статистики. При обработке полученной информации рассчитывались следующие общепринятые коэффициенты: латеральной миграции (Кл), почвенной дифференциации (Кпд), концентрации химического элемента (Кк), суммарного загрязнения (Zc) и почвенно-растительный коэффициент (Ах).

В третьей главе диссертации дана характеристика ландшафтных обстановок участков детальных исследований. Приводится подробное описание почвенных горизонтов и основных покровообразующих растений. На изучаемой территории наиболее часто встречаются дерново-подзолистые почвы различного механического состава и степени оподзоленности: преобладают дерново-среднеподзолистые, значительно реже - слабо- и сильнооподзоленные. Распространены также серые лесные, полуболотные и болотные, дерновые и луговые почвы. Механический состав почв различается в зависимости от почвообразующих пород: почвы Угорского участка формируются на моренных суглинках, водноледниковых супесях и покровных суглинках и имеют более легкий механический состав по сравнению с почвами Жиздринского участка, которые сформировались на лессовидных суглинках и двучленных породах: сверху залегают маломощные пески и супеси снизу - морена или коренные породы.

Таким образом, на территории севера Среднерусской возвышенности вследствие разнообразия ландшафтообразующих факторов, формируется система сложных, закономерно сменяющих друг друга элементарных ландшафтов. Элювиальные ландшафты занимают вершины водоразделов, переходят в трансэлювиальные - склоны водоразделов. В пределах этих ландшафтов преобладают различные подтипы дерново-подзолистых почв. Аккумулятивно-элювиальные ландшафты занимают площадки надпойменных террас с господством дерново-подзолистых почв на Угорском участке и серых лесных и псамоземов на Жиздринском. Супераквальные ландшафты, занимающие пойменные участки речных долин, характеризуются господством различных типов аллювиальных почв.

В четвертой главе диссертации рассматриваются геохимические параметры природных ландшафтов севера Среднерусской возвышенности. Приводится описание геохимических особенностей почв, основных покровообразующих растений и снегового покрова фоновой территории. Также рассматриваются закономерности латеральной и радиальной миграции тяжелых металлов в элементарных ландшафтах.

В настоящее время общепризнано, что степень антропогенного воздействия на природные системы невозможно оценить без детального анализа фонового состояния биологических, биокосных и косных систем вне урбанизированных территорий или сферы влияния локальных источников загрязнения (Глазовская М.А., Касимов Н.С., 1989).

Среди кислоторастворимых форм тяжелых металлов в почвообразующих породах наибольшие концентрации имеют медь (4,7 мг/кг), цинк (5,8 мг/кг), марганец (140 мг/кг) на Угорском участке и цинк (4,0 мг/кг) и свинец (5,2 мг/кг) - на Жиздринском. Наибольшие концентрации валовых форм металлов отмечены на правобережных участках речных долин обоих участков детальных исследований (рис. 2).

Рисунок 2. Содержание кислоторастворимых (подвижных) форм тяжелых металлов в почвообразующих породах участков детальных исследований (в мг/кг)

В распределении подвижных форм свинца по почвенному профилю установлена следующая закономерность: в почвах Угорского района максимальные концентрации элемента отмечены в верхних горизонтах (4,0-6,4мг/кг) и в почвообразующей породе (3,0-9,6 мг/кг). В почвах Жиздринского участка в распределении свинца по почвенному профилю отмечена обратная закономерностьЦпостепенное уменьшение содержания металла от гумусовых горизонтов к почвообразующей породе. Это связано с тем, что содержание в почвообразующих породах Угорского района свинца значительно ниже, чем в южном, Жиздринском (табл. 1).

Таблица 1. Тяжелые металлы в почвах природных ландшафтов севера Среднерусской возвышенности.

горизнт	мг/кг				горизнт	мг/кг
	Cu	Zn	Pb	Mn		Cu	Zn	Pb	Mn
Угорский участок исследований					Жиздринский участок исследований
аллювиальная почва центральной поймы					аллювиальная слоистая почва прируслового вала
Аd	3,443	5,58	5,303	198,783	А1	2,494	4,059	3,583	95,184
А1	3,158	5,346	6,905	191,272	(А1/В)	2,827	4,329	4,061	128,589
А1/В	4,294	5,749	5,807	162,88	(В)	3,025	4,791	4,166	99,575
В	2,989	4,471	4,963	77,626	псамозем оподзоленный
С	4,71	4,193	2,863	70,223	А1	1,341	2,406	5,589	203,758
дерново-слабоподзолистая					А1/А2	2,48	1,696	4,239	99,406
А1	2,106	2,532	6,4	226,312	А2	1,812	1,236	4,563	79,281
А1/А2	2,256	2,345	6,858	168,206	В	1,143	1,511	2,428	24,238
В	2,517	2,104	3,94	71,226	С	0,86	1,77	1,79	19,495
С	4,721	4,253	9,666	140,896	светло-серая лесная
дерново-сильноподзолистая
А1	1,198	1,405	4,032	183,299	А1	1,338	1,699	4,358	219,874
А2	0,784	1,138	1,313	52,36	А1/В	1,007	0,742	1,587	179,598
А2/В	1,26	1,189	2,588	37,301	В	0,663	0,509	3,122	56,247
В	2,38	1,841	3,694	20,168	С	1,928	1,39	2,3	37,158
С	4,442	2,503	5,9	19,55	дерново-подзолистая
дерново-сильноподзолистая					А1	0,899	1,202	6,214	191,127
А1	1,198	1,405	4,032	183,299	А1/А2	0,795	0,579	0,944	62,652
А2	0,784	1,138	1,313	52,36	А2	0,522	0,307	0,318	4,997
А2/В	1,26	1,189	2,588	37,301	А2/В	0,794	1,128	1,789	8,162
В	2,38	1,841	3,694	20,168	В	3,496	1,51	3,476	7,964
С	4,442	2,503	5,9	19,55

Следует отметить, что в пространственном перераспределении свинца между сопряженными элементами ландшафта на Жиздринском участке наибольшее содержание металла отмечено в почвах (гумусовые горизонты) водораздельных территорий (6,2-6,9 мг/кг) и постепенное уменьшение концентрации свинца к подчиненным ландшафтам (3,5 мг/кг). На Угорском участке, наоборот, наименьшая концентрация металла наблюдается на водоразделах (3,3-4.0 мг/кг), а наибольшая в почвах пойм (5,3-6,0 мг/кг), т.е. свинец переносится от водораздела к пойме и там аккумулируется. Наиболее сложен микроэлементарный профиль пойменных почв.

Максимальные концентрации цинка отмечены в аллювиальных почвах всех исследуемых участков (5-6 мг/кг), минимальные - в почвах водораздельных территорий (2 мг/кг). Для большинства исследуемых почв характерно накопление цинка в верхних гумусовых горизонтах.

Наибольшее содержание марганца соответствуют почвам, сформировавшимся на вторых надпойменных террасах под лесной растительностью, представленной лиственными и хвойными породами деревьев, а также пойменным почвам, сформировавшимся в аккумулятивных ландшафтно-геохимических обстановках. Содержание подвижных форм марганца в этих почвах достигает 210-245 мг/кг. По профилям почв наблюдается постепенное уменьшение концентрации марганца от гумусового горизонта вниз. Также отмечена аккумуляция данного металла в подчиненных элементарных ландшафтах (в особенности на пойме и первых надпойменных террасах (240 мг/кг), по сравнению с водоразделом (139 мг/кг).

Концентрация подвижных форм меди в почвах правого берега р. Угра значительно выше, чем в аналогичных почвах, сформировавшихся в пределах левого берега (от 1,3 мг/кг до 3,4 мг/кг в гумуссодержащих горизонтах, от 1,6-2,0 мг/кг до 4,4-5,0 мг/кг в горизонтах С). Это обусловлено особенностями почвообразующих пород левого берега Угры, представленных опесчаненными моренными отложениями (почвы правобережья Угры сформировались на покровных суглинках). В целом, в почвах всех участков детальных исследований проявляется процесс геохимического сопряжения, т. е. содержание подвижных форм меди в гумусовых горизонтах почв автоморфных ландшафтов ниже, чем в горизонтах почв подчиненных ландшафтов: на водоразделе этот показатель составляет от 0,8 мг/кг до 2,8 мг/кг в почвах правого берега р. Жиздра, от 3,0 мг/кг до 4,2 мг/кг в почвах левого берега р. Жиздра.

Установлено, что чем выше содержание гумуса в почвах, тем в большей мере накапливаются подвижные формы меди и цинка. Это характерно для верхних гумусовых горизонтов исследованных почв. Наибольшие концентрации кальция отмечены в почвообразующих породах Угорского участка (25-50 мг/кг), магния - Жиздринского (25-31 мг/кг), т.е на Угорском участке кальций преобладает над магнием, а на Жиздринском наоборот. Это очевидно обусловлено тем, что подстилающие, коренные породы Угорского участка представлены известняками, а Жиздринского - известняками и доломитами.

Выявлено, что для почв фоновых территорий характерна слабокислая и близкая к нейтральной реакция, невысокое содержание органического вещества (0,3-2,1 %), высокое количество поглощенных оснований (70-80 %).

В процессе исследования установлено, что содержание хлора и железа в снеговых водах бассейнов рек Угры и Жиздры наибольшее на водораздельных территориях. Содержание Ca+Mg, наоборот, несколько больше на открытых пространствах пойм, что, вероятно, связано с переносом этих элементов с водораздельных участков, учитывая их значительную миграционную способность.

Наибольшими показателями зольности характеризуются листья широколиственных пород деревьев, такие как клен (7,5 %), орешник (8,1 %) и злаки (6,8-8,3 %), произрастающих в подчиненных ландшафтно-геохимических обстановках (рис. 3).

Рисунок 3. Показатели зольности покровообразующих растений Угорского участка исследований (%)

Выявлено, что в большинстве случаев железо накапливается в листьях широколиственных и мелколиственных пород деревьев и в ветвях хвойных деревьев, кальций - в листьях широколиственных пород деревьев. К растениям, накапливающим магний относятся злаковые - лисохвост (176 мг-экв/100г) и пырей (198 мг-экв/100г), а растения-концентраторы кальция - бобовые (мышиный горошек (138-158 мг-экв/100г). Установлено, что медь и цинк накапливаются в ветвях древесных пород. Максимальные концентрации металлов соответствуют древесине хвойных пород деревьев (сосна и ель), а минимальные древесине широколиственных (дуб и клен) и мелколиственных пород (осина, береза). Из травянистых растений металлы накапливают злаки - овсяница, пырей и лисохвост.

Максимальные значения растительно-почвенного коэффициента получены для цинка (470) и меди (160), что свидетельствует об активном вовлечении этих микроэлементов в биологический круговорот (рис. 4). Наибольшие значения Ах, как правило, наблюдаются у растений, произрастающих в автономных условиях. Установлено, что наиболее активно растения поглощают из гумусового горизонта легкорастворимые формы цинка и меди, а аккумуляция марганца значительно меньше.

Рисунок 4. Растительно-почвенные коэффициенты (Ах) растений Угорского участка исследований

Наибольшее содержание марганца обнаружено в ветвях сосны (14 700 мг/кг,) и ели (13 600 мг/кг), листьях осины (3 250 мг/кг), черемухи (13 300 мг/кг), клена (2 920 мг/кг), дуба (14 900 мг/кг) и травянистых видов - лисохвоста (2 600 мг/кг) и осоки (11 190 мг/кг). Установлено, что марганец как правило, накапливается в листьях и хвое деревьев.

Наибольшее содержание меди отмечено в ветках ели (168 мг/кг), сосны (204 мг/кг), дуба (150 мг/кг), черники (139 мг/кг). Содержание цинка и марганца максимально в ветках сосны (440 мг/кг; 14 700 мг/кг), ели (554 мг/кг; 13 600 мг/кг), березы (1060 мг/кг), а также в листьях дуба (197 мг/кг; 14 900 мг/кг), черемухи (120 мг/кг; 13 300 мг/кг) и хвое сосны (770 мг/кг;13 300 мг/кг).

Содержание меди и цинка в нерастворенной форме максимально на открытых пространствах пойм, растворимые формы этих металлов преобладают на водораздельных территориях.

Обращает на себя внимание тот факт, что свинец в снеге всех участков детальных исследований находится в нерастворимой форме. На водораздельных территориях, покрытых лесом, отмечена максимальная концентрация металла в нерастворимой форме (9,33-15,58мг/кг), тогда как в снеге пойменных ландшафтов содержание свинца не превышает 0,02 мг/кг.

Пространственное распределение марганца имеет следующие особенности: концентрация металла в нерастворимой форме наибольшая в снеге водоразделов (136-151 мг/кг), а содержание водорастворимых форм элемента максимально в снеговом покрове пойм (0,0159-0,0181 мг/л) (рис. 5).

Рисунок 5. Соотношение нерастворимых (А) и растворимых (Б) форм тяжелых металлов в снеговом покрове фоновой территории

В результате проведенных исследований установлено, что максимальная доля водорастворимых форм меди и цинка обнаружена в образцах снега, отобранных в автоморфных условиях, на водоразделах. В ландшафтах пойм, выявлено преобладание нерастворимых форм данных металлов.

В пятой главе диссертации рассматриваются геохимические особенности антропогенно-измененных ландшафтов. Приводится описание состояния воздушного бассейна г. Калуги, описываются особенности эколого-геохимических изменений растительного покрова, снегового покрова и эколого-геохимической трансформации почв.

Почвы характеризуются сдвигом показателя рН в сторону более щелочных значений (7,5). Основная часть почв характеризуется нейтральной или близкой к нейтральной реакцией среды, значения рН колеблются от 6,8 до 7,5. Установлена общая закономерность, характерная для большинства почвенных разрезов - с глубиной показатель рН уменьшается и почвенный раствор становится менее щелочным.

Содержание Сорг. в урбаноземах может меняться по сравнению с фоновыми ландшафтами, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. (Строганова М.Н., 1997). Результаты исследований, проведенных на территории г. Калуги, свидетельствуют, что содержание Сорг. колеблется от 9,1 до 1,6 %.

Содержание обменных форм кальция, экстрагируемых 1н HCl, в горизонте лурбик (глубина 0-5 см) колеблется от 12 до 521 мг-экв/100г почвы. Диапазон колебаний этих значений значительно шире, чем в аналогичных дерново-подзолистых почвах внегородских территорий. Максимальные значения, превышающие фоновые показатели, наиболее характерны для антропогенно - преобразованных почв центрального и северо-западного районов города.

Концентрация обменного магния меняется от 2 до 450 мг-экв/100г почвы и в большинстве случаев превышает фоновые показатели.

Результаты проведенных исследований показывают, что в 90 % исследованных почвенных образцах содержание кальция максимальное на поверхности почвы (0-5 см) и уменьшается вниз. Это позволяет сделать вывод о том, что в верхние почвенные горизонты кальций поступает вследствие антропогенного напыления.

По результатам проведенных лабораторно-аналитических работ были составлены карты-схемы содержания в урбаноземах г. Калуги подвижных форм тяжелых металлов на глубинах 0-5 см и 20-25см. За основу при создании карт-схем были взяты предельно допустимые подвижные формы тяжелых металлов (1,0 н HCl, Х. Чулджиян, 1988) и предельно допустимые концентрации тяжелых металлов, утвержденные Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (ГОСТ от 16.06.2005г.).

Максимальное содержание всех диагностируемых металлов было отмечено в районе ул. Тульской, что связано с расположенным в непосредственной близости заводом по производству металлоконструкций, а так же на ул. Московской, вдоль которой расположены основные предприятия по производству техники и комплектующих деталей (Турбинный завод, завод транспортного машиностроения, завод Калужский двигатель, Калужский опытно-ремонтный завод) (рис. 6).

Рисунок 6. Содержание подвижных форм цинка в почвах г. Калуги ( в мг/кг, ГОСТ от 16.06.2005г): А-0-5 см; Б-20-25 см

Таким образом, районы с наиболее высоким содержанием металлов в почве расположены вблизи крупных промышленных предприятий и автодорог: центральная часть города, юго-восточная и частично восточная части города.

Минимальное содержание металлов в почвах отмечено в западной, северо-западной и северной частях города, что соответствует селитебной зоне.

Нами проведено сравнение и сопоставление карт-схем, составленных на основании норматива ГОСТа и исследований Х. Чулджияна. Анализ полученных карт-схем позволил установить, что для построения карт-схем по содержанию в почве меди, марганца и свинца целесообразно использовать нормативы установленные ГОСТом, так как полученные карты-схемы получаются наиболее дифференцированными и информативными по сравнению с карта-схемами, построенными по исследованиям Х.Чулджияна.

В снеговом покрове г. Калуги кислоторастворимые формы тяжелых металлов преобладают в минеральной фазе, а на фоновых территориях в жидкой (рис. 7). Установлена общая закономерность, характерная для всех исследованных металлов: по мере удаления от источника загрязнения доля тяжелых металлов в растворимых формах увеличивается. Тяжелые металлы непосредственно после выброса в атмосферу находятся, в основном, в нерастворимых формах, далее по мере распространения от источника в первую очередь оседают наиболее крупные частицы, растворимость которых меньше, чем высокодисперсных частиц.

Рисунок 7. Содержание подвижных форм цинка в: талом снеге, в мг/л (А); и нерастворимом осадке снеговых вод, в мг/кг (Б) г. Калуги

Расчеты и сопоставление растительно-почвенных коэффициентов растений, произрастающих на территории г. Калуги свидетельствуют об избирательном поглощении металлов разными видами растений, а также о мозаичности почвенно-растительного покрова. Наиболее активно растения поглощают цинк (более 80) (рис. 8).

Рисунок 8. Растительно-почвенный коэффициент (Ковальский А.Л., 1969) кислоторастворимых форм тяжелых металлов растений г. Калуги

Выявлена общая закономерность, характерная для всех исследованных металлов: по мере удаления от источника загрязнения доля тяжелых металлов в растворимых формах увеличивается. Тяжелые металлы непосредственно после выброса в атмосферу находятся в основном в нерастворимых формах, далее по мере распространения от источника в первую очередь оседают наиболее крупные частицы, растворимость которых меньше, чем высокодисперсных частиц.

В заключении изложены основные выводы диссертационного исследования, отражающие следующее:

1. Коренные породы Угорского участка представлены преимущественно известняками, Жиздринского - известняками и доломитами с преобладанием последних. В пределах рассматриваемой территории распространены ландшафты пологоволнистых моренных равнин с незначительным эрозионным расчленением на северном, Угорском участке детальных исследований, и расчлененные эрозионные равнины на южном, Жиздринском участке. Таким образом, в качестве почвообразующих пород в данном регионе выступают: флювиогляциальные пески и покровные суглинки на севере, и - покровные и лессовидные суглинки на юге.
2. Наличие неперекрывающихся почв, развитых на однотипных породах (лессовидных покровных суглинках) в пределах небольших пространств и равнинного рельефа - уникальное явление. Максимальное содержание гумуса (1,8-2,1 %) отмечено в гумусовых горизонтах аллювиальной почвы центральной поймы и светло-серой лесной почвы. Наибольшие концентрации кальция характерны для аллювиальных почв Угорского участка детальных исследований (30-34 мг-экв/100 г.). Коренные породы данного района имеют карбонатный состав, и кальций поступает в почву вследствие размывания рекой (р. Угра) подстилающих карбонатных пород. Максимальное содержание магния отмечено в почвах Жиздринского участка детальных исследований (16-38 мг-экв/100г). В отличие от Угорского участка, коренные породы Жиздринского района исследования представлены доломитами, которые обогащают магнием речные воды Жиздры и почвенные горизонты. Наиболее кислыми из всех исследованных почв являются дерново-подзолистые, рН которых составляет 5,5-6,3.
3. Установлено, что показатель зольности у всех исследованных растений в черте города выше, чем в аналогичных растениях, произрастающих на условно фоновой территории. Наибольшие значения показателя зольности отмечены у листьев березы (8,3) и клена (7.4), растущих вблизи крупных автомагистралей. Анализ данных о содержании тяжелых металлов в растениях г. Калуги свидетельствует о том, что медь аккумулируется более активно в листьях березы (203 мг/кг) и ветках ели (118 мг/кг) и клена (154 мг/кг).
4. Максимальные концентрации металлов в природных почвах отмечены в аккумулятивных ландшафтах (поймах), что является следствием процесса геохимического сопряжения, сноса подвижных микроэлементов вниз по почвенному склону и аккумуляцию в подчиненных ландшафтах. Для условно фоновых почв Жиздринского и Угорского участков детальных исследований отмечены наибольшие концентрации марганца (183-245 мг/кг), что связано с обильной растительностью, накапливающей металл и обогащающей им почву.
5. Установлено, что чем выше содержание гумуса в почвах, тем в большей мере накапливаются подвижные формы меди, цинка. Это характерно для верхних гумусовых горизонтов исследованных почв.
6. Выявлено, что почвы сельскохозяйственных угодий территории исследования характеризуются более тяжелым гранулометрическим составом, более высоким показателем рН (6,5-7,4), и в отличие от естественных почв содержат больше железа (2000-3100 мг/кг), марганца (380-470 мг/кг), меди (3-7мг/кг) и свинца (3-13 мг/кг). Содержание гумуса в почвах сельскохозяйственных угодий, занятых пашней и сенокосом, выше в 2 раза по сравнению с естественными почвами и составляет 2,1-5,6 %.
7. Анализ полученных карт-схем позволил установить, что для построения карт-схем по содержанию в почве меди, марганца и свинца целесообразно использовать нормативы установленные ГОСТом, так как полученные карты-схемы получаются наиболее дифференцированными и информативными по сравнению с карта-схемами, построенными по исследованиям Х.Чулджияна.
8. Для антропогенно измененных почв города характерны наибольшие концентрации цинка (142 мг/кг) и свинца (250 мг/кг), что является следствием длительной техногенной нагрузки на почвы города, отсутствующей в природных ландшафтах.
9. Высокое содержание марганца в антропогенно измененных почвах города Калуга (280-360 мг/кг) связано, главным образом, не с техногенным поступлением металла в почву, а с обильной растительностью, характерной для всего города. За исключением центральных районов города, где меньше растительности и концентрации металла значительно ниже (55-150 мг/кг).
10. Анализ полученных данных свидетельствует о том, что содержание Сорг в почвах г. Калуги превышает фоновые показатели и составляет 2,9-9,1 мг/кг. Увеличение этого показателя обусловлено обилием растительного покрова, вследствие чего, увеличивается опад, а также антропогенным поступлением органополлютантов, сажи и пыли.
11. Наибольшие концентрации тяжелых металлов в городских почвах отмечены в центральном, юго-восточном и частично восточном районах города, что связано с преобладающими ветрами западного и северо-западного направлений и атмосферным переносом, а также с находящимися в этих районах промышленными предприятиями, минимальное содержание металлов в почвах отмечено в западной, северо-западной и северной части города, что соответствует селитебной зоне.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА, ОТРАЖАЮЩИХ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Осина Д.Е. Пространственное распределение подвижных форм тяжелых металлов в почвах г. Калуга.//Вестник Московского Государственного Областного Университета. Серия Естественные науки.-2012. № 4. М.:Изд-во МГОУ.-С. 86-91 (0,4 п.л.).

2. Осина Д.Е. Эколого-геохимические параметры марганца и меди в почвах бассейнов рек Угры и Жиздры. //Преподаватель ХХI век. М.: Изд-во Прометей.-2012. №4, С. 218-223 (0,4 п.л.).

3. Осина Д.Е. Эколого-геохимические параметры тяжелых металлов в природных и антропогенно измененных биогеосистемах бассейнов рек Угры и Жиздры. // Материалы международной научной конференции XV Докучаевские молодежные чтения Почва как природная биогеомембрана. - СПб.: Издательский дом СПбГУ, 2012. - С. 14-17 (0,25 п.л.).

4. Осина Д.Е. Тяжелые металлы в почвах г. Калуга. // Материалы Всероссийской научной конференции XIV Докучаевские молодежные чтения л Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов. - СПб.: Издательский дом СПбГУ, 2011. - С. 269-271 (0,2 п.л.).

5. Осина Д.Е. Ландшафтная индикация морфологических особенностей почв рек бассейна Угры и Жиздры (Калужская область).// Материалы Первой Всероссийской научно-практической конференции Индикация состояния окружающей среды: теория, практика, образование. - М.: МПГУ, 2010.-С 58-62 (0,3 п.л.).

6. Осина Д.Е. Тяжелые металлы в почвах севера Среднерусской возвышенности.// Материалы научной конференции географического факультета МПГУ. - М.: МПГУ, 2011, С. 68 (0,06 п.л.).

     Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по земле