CC BY
33
УДК 502:631.4(571.621)
В.Б. Калманова
Институт комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН, [email protected]
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА УРБАНИЗИРОВАННОЙ ТЕРРИТОРИИ (НА ПРИМЕРЕ Г. БИРОБИДЖАНА)
На примере среднего города Дальнего Востока (Биробиджан), с учетом разработанных приоритетных показателей, проведена оценка экологического состояния почвенного покрова, определена степень его преобразованности, показано влияние региональных природных геохимических, климатических особенностей, планировочной структуры и основных источников загрязнения на концентрацию тяжелых металлов в природном компоненте. Установлен ранжированный ряд загрязняющих почвенный покров токсичных веществ, где лидирующие позиции занимают цинк, свинец, медь и др. С 2003 по 2018 гг. содержание тяжелых металлов в почвах города увеличилось за счет передвижных источников загрязнения, ТЭЦ, котельных. Дана оценка экологического состояния почв в различных функциональных зонах города по разработанной бальной шкале оценки депонирующих сред.
Ключевые слова: почвы; урбанизированная территория; эколого-функциональные зоны; тяжелые металлы; Биробиджан.
Введение
В условиях урбанизированной среды почвы, как и другие компоненты городских экосистем, испытывают влияние сложного комплекса природных и антропогенных факторов. Распространение разнообразных антропогенно-измененных почв и техногенных отложений становится характерным для многих крупных городов и промышленных центров. В них практически не остается почв как естественных природных образований, способных выполнять важные экологические функции и поддерживать тем самым качество городской среды (Добровольский, 1997; Курбатова, Башкин, 2004; Строганова, Агаркова, 1992). Многие города по интенсивности загрязнения и площади распространения токсичных веществ в различных природных средах уже сейчас представляют собой техногенные геохимические аномалии (Экология города, 2004; Экогеохимия городских ландшафтов, 1995). На территориях малых и средних городов природные процессы почвообразования чаще всего не столь подавлены техногенным влиянием. Стратегия развития небольших городов должна обязательно включать решение проблемы «человек-среда-почва» на основе учета состояния и свойств имеющегося у них природного почвенного ресурса, бережного отношения к нему, рационального освоения и использования (Калманова, Матюшкина, 2013).
Дальний Восток - один из самых урбанизированных регионов РФ, в связи с природными
особенностями территории 70-80% населения сосредоточено в городах, 90% из которых относятся к категории средних и малых городов. Техногенная загрязненность городов Дальнего Востока не позволяет определить подавляющую часть их территории как благоприятную для проживания человека (46% населения юга Дальнего Востока проживает в экологически опасных условиях (II категория опасности)) (Заиканов, Минакова, 2005). Почвы городов региона практически не изучены, хотя многие из них имеют специфические природные особенности и подвергаются значительным изменениям в процессе антропогенного воздействия (Жарикова, 2010).
Действующие методики оценки качества почвенного покрова в городских условиях ориентированы на приоритет санитарно-гигиенических показателей и являются неполными с точки зрения характеристики состояния рассматриваемого природного компонента. Следовательно, необходимо обобщение существующего опыта в области оценки качества городских почв и разработка экологически обоснованной методики, включающей необходимый и достаточный набор показателей, наиболее полно характеризующий их состояние.
Цель исследования: определение
экологического состояния почвенного покрова г. Биробиджана для интегральной оценки качества урбанизированной территории. Полученные материалы являются этапом в комплексе продолжающихся исследований по мониторингу
и оценке геоэкологической обстановки на территории города.
Объекты и методы исследования
Выбор почвенного покрова г. Биробиджана в качестве объекта исследования обусловлен тем, что этот город является административным и промышленным центром Еврейской автономной области и относится к категории средних городов юга Дальнего Востока, многие из которых получают в последние годы импульс для роста и развития. Биробиджан обладает достаточными площадями открытых пространств (61.8 % от общей площади города), что составляет перспективный резерв для благоустройства территории (Калма-нова, 2016). Учет особенностей этого земельного ресурса и его рациональное использование - одна из важных задач экологического планирования и развития города.
На экологическое состояние почв Биробиджана влияют природные геохимические, климатические особенности, планировочная структура города и основные источники загрязнения.
Исследуемая территория относится к Буре-инской ландшафтно-геохимической провинциям (Л21), класса W2 +У2 (болотистые низменности с гидрокарбонатно-кальциевыми водами); типо-морфные элементы Н,+ Н+ - Fe2+, реакция почв - кислая, с высоким содержанием железа, повышенной подвижностью катионогенных (цинка, свинца, никеля, кобальта и др.) и пониженной -анионогенных (молибдена, ванадия, олова) микроэлементов (Зимовец, 1967).
Расположение основной части города на плоской части Средне-Амурской низменности способствует накоплению поллютантов по сравнению с более возвышенной северо-западной. На склоновых участках, в районе огородов и дач, в результате плоскостного смыва развивается эрозия почв, что приводит к уменьшению мощности культурного слоя. Кроме того, на накопление пол-лютантов влияют типы почв и их расположение в различных эколого-функциональных зонах. На территории Биробиджана выделено 4 экологических группы почв и непочвенных субстратов: природные относительно не измененные почвы (24% от общей площади города); природные поверхностно нарушенные почвы (30%); антропогенные почвы (37%); техногенные поверхностные образования (ТПО - 9%) (Калманова, Ма-тюшкина, 2013).
Дальневосточный регион специфичен климатическими особенностями переноса загрязнителей в воздушной среде в условиях муссонного климата средних широт (устойчивость муссо-
нов составляет 40-60 %). Так, летом преобладают ветры юго-западных, зимой-северо-западных направлений, что способствует «очаговому» накоплению загрязнителей в системе атмосфера- почвы. Большая часть атмосферных осадков выпадает в теплое время года, что должно приводить к вымыванию поллютантов их верхних слоев почвы, но, одновременно, низкая способность атмосферы к самоочищению (Григорьева и др., 2005) может вызвать их дополнительную аккумуляцию в депонирующих средах.
Планировочная структура г. Биробиджана представляет собой экологически непродуманный проект, сделанный без учета эффективного сочетания селитебных, промышленных и коммуникационных зон, оптимально встроенных в геоландшафтное окружение. Жилая часть города подвержена загрязнению, поскольку открыта для северо-западного и юго-восточного воздушного переноса. Многоотраслевая промышленность (ТЭЦ, стройиндустрия, легкая промышленность), автомобильный и железнодорожный транспорт являются ключевыми источниками поступления тяжелых металлов в городскую среду. Предприятия расположены по всей территории города, с наибольшим сосредоточением в его северо-западной, центральной, северо-восточной части. Согласно данным Хабаровскстата, масса выбросов загрязняющих веществ в атмосферу ЕАО от стационарных источников в 2017 г. составила 19.1 тыс. т, из которых почти 10 тыс. т приходится на Биробиджан (на Биробиджанскую ТЭЦ приходится выброс 3614,067 тонн/год), что соответствует 118 кг на 1 жителя в год или 150 т на 1 км2 площади города. В зоне воздействия автотранспорта находится значительная часть городской территории - 182.47 км2, что составляет 91.2% от общей площади Биробиджана (Калманова и др., 2007). В транспортной структуре преобладают импортные автомобили с большим сроком эксплуатации, что приводит к значительному поступлению поллю-тантов в окружающую природную среду. В городе зарегистрировано свыше 20000 единиц автотранспорта различных марок, к нему добавляется транзитный транспорт. Это поток принимают, в основном, несколько центральных магистралей.
Для характеристики современного состояния почвенного покрова г. Биробиджана в 2003-2010 и 2018 гг. были проведены геохимические исследования на экспериментальных площадках размером 10^10 м, заложенных в различных функциональных зонах города с некоторыми сгущениями точек вдоль крупных автомагистралей. Пробы почвы отбирались согласно МУ 2.1.7.730-99. В отобранных образцах совместно с ФГУЗ (ЦГиЭ
16
российский журннл ииой экологии
Таблица 1. Шкала оценки загрязнения депонирующих сред г. Биробиджана по суммарному показателю концентрации ТМ (Калманова, 2015)
Шкала оценки, балл Величина СПК ТМ в депонирующих средах Уровень загрязнения Оценка экологической обстановки
Растительно сть Снег Почва
листья кора
1 < < <10 <14 слабый относительно удовлетворительная
2 18-35 20-39 11-21 15-29 средний конфликтная
3 36-53 40-59 22-32 30-44 выше среднего напряженная
4 54-71 60-79 33-43 45-59 высокий критическая
5 > > >44 >60 очень высокий кризисная
ЕАО), Хабаровским инновационно-аналитическим центром методом спектрометрии определялись валовые формы тяжелых металлов (ТМ): железо, медь, цинк, свинец, кобальт, кадмий, никель и марганец, а также рН среды (Методика выполнения измерений..., 1998).
Оценку экологического состояния почв проводили путем сравнения фактических валовых содержаний ТМ с показателями местного геохимического фона, величинами ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) (Перечень.., 1991), средними содержаниями ТМ в почвах городов России сходной с Биробиджаном категории (т.е. с населением менее 100 тыс. человек) (Алексеен-ко, 2013) и мировым почвенным кларком (Виноградов, 1957). В качестве фонового образца была использована зональная почва (бурозем остаточ-но-аллювиальный под дубово-широколиственным лесом) в северо-западной части Биробиджана, удаленная от возможных источников ТМ.
Для выявления основных загрязнителей в городских почвах был рассчитан коэффициент концентрации (Кс) химических веществ, который определялся отношением его фактического содержания в почве к фоновому показателю.
Поскольку очаги техногенного загрязнения, как правило, представляют собой избыточную концентрацию не одного, а целого комплекса химических элементов, то химическое загрязнение городских почв оценивалось по суммарному показателю концентрации (СПК) металлов, относящихся к различным классам опасности. Суммарный показатель загрязнения равен сумме коэффициентов концентраций загрязняющих почву химических элементов. Оценка уровня загрязнения проводилась по шкале оценки опасности загрязнения депонирующих сред (табл. 1).
Результаты оценки экологического состояния почвенного покрова легли в основу при создании карты «Зонирование территории г. Биробиджана
по уровню загрязнения почвенного покрова на основе расчета суммарного показателя концентрации (СПК) ТМ» масштаба 1:25000. Данная карта составлена традиционным методом и оцифрована с применением программного обеспечения ArcView GIS.
Результаты и их обсуждение
Общей особенностью почв различных функциональных зон Биробиджана является сдвиг значений pH почвенного раствора по сравнению с фоном в сторону слабощелочной и даже щелочной реакции (табл. 2). Фоновые почвы (буроземы остаточно-аллювиальные в районе Медгородка в северной части Биробиджана) имеют слабокислую реакцию среды, присущую бурым лесным почвам зоны хвойно-широколиственных лесов юга Дальнего Востока. Щелочной сдвиг реакции почв промышленных и транспортно-селитебных зон объясняется обилием в городе строительных и бытовых отходов, являющихся источником поступления в воздух и почвы карбонатов кальция и магния. На подщелачивание реакции среды почв сельскохозяйственных участков может существенно влиять широко применяемое известкование и внесение физиологически щелочных минеральных удобрений. Наиболее сильное под-щелачивание почв отмечено для индустриземов в районе городской ТЭЦ. Известно, что нейтральная и слабощелочная реакция среды способствует нахождению ТМ в почвах в прочнофиксирован-ном состоянии, и следовательно, их накоплению. В тоже время некоторые ТМ (например, анионные формы Zn) в щелочных условиях повышают свою растворимость.
По результатам химических анализов, проведенных в 2003-2010 и 2018 гг., установлено превышение ОДК в почвах города по Со до 2 раз; превышение фонового уровня по Mn - до 2 раз, Fe - 2,5, Со - 2,5, Ni - 7, Cu - 4, Zn - 6, Cd - 9,5,
Таблица 2. Среднее содержание валовых форм ТМ в почвах г. Биробиджана, мг/кг
Местоложение пробных площадок Функциональные зоны Тип почв рНв Концентрация ТМ*
Мп Fe Со № Си гп са РЬ
Ул. Парковая (зеленая зона) Транспортно-селитебная Урбаноземы 6.4/ 6.7 285/ 395 7433/ 13571 3.8/ 6.1 15.6/ 24.2 3.5/ 11.7 125.4/ 164.3 0.30/ 0.60 13.6/ 29.8
Пер. Швейный Транспортно-селитебная Урбаноземы 7.3/ 7.7 293/ 297 6360/ 14591 5.8/ 7.3 19.0/ 33.4 7.4/ 18.9 132.7/ 165.1 0.30/ 0.46 29.1/ 53.6
Ул. Калинина, 65 Промышленная Техноземы 7.9/ 7.9 136/ 174 4674/ 9572 7.2/ 8.3 16.7/ 32.6 20.5/ 23.7 162.0/ 184.1 0.71/ 0.78 71.2/ 75.3
ТЭЦ Промышленная Индустри-земы 8.1/ 8.2 308/ 344 5002/ 8945 6.5/ 8.2 11.6/ 28.7 14.0/ 23.9 95.2/ 167.3 0.20/ 0.53 35.6/ 63.7
Возле городской свалки, 7 км автотрассы Биробиджан -Хабаровск Промышленная Техноземы 7.8/ 8.4 181/ 198 6344/ 16133 8.2/ 9.4 12.6/ 37.2 17.1/ 23.1 107.4/ 176.6 0.62/ 0.70 44.7/ 59.2
Сквер стадиона «Дружба» Рекреационная Болотные пойменные торфянисто-глеевые 6.7/ 6.9 262/ 367 9845/ 14121 3.9/ 4.1 3.8/ 6.7 18.6/ 23.1 160.5/ 163.2 0.50/ 0.50 66.4/ 63.1
Городской парк культуры и отдыха Рекреационная Дерновые на песках и супесях 7.8/ 7.7 269/ 320 9980/ 16987 4.3/ 7.9 7.4/ 14.8 24.7/ 25.6 147.8/ 163.6 1.23/ 1.10 56.6/ 59.4
Лесхоз Рекреационная Лугово-глеевые 5,5/ 5,5 319/ 358 8387/ 17545 4.5/ 6.9 3.7/ 9.4 4.2/ 15.8 114.4/ 117.3 0.02/ 0.04 13.5/ 18.7
Ул. Ульяновская (пос. Лукашо-во) Сельскохозяйственная Буроземно-дерновые на аллювии 7.3/ 7.4 946/ 1004 8154/ 11979 2.9/ 3.4 3.2/ 4.6 5.3/ 8.8 125.2/ 141.0 0.53/ 0.56 17.4/ 19.7
Нормативные содержания ТМ в почвах
Кларк в почвах (Виноградов, 1957) 850 38000 80 40 20 50 0.5 10
Среднее содержание в почвах городов России с населением менее 100 тыс. чел. (В.А. Алексеенко, А.В. Алексеенко, 2013) 457.5 26570 14.6 18.4 28.2 92.4 1.4 39.5
Местный фон 457 7944 3.7 5.25 6.65 30.6 0.13 15.4
ОДК (Перечень ..., 1991) 1500 - 5 80 120 220 2 130
* Числитель - 2003-2010 гг., знаменатель - 2018 г.
РЬ - 5. По сравнению с мировым кларком почвы в фоновой выборке обеднены медью, цинком, никелем, кобальтом и обогащены свинцом. На других экспериментальных площадках были отмечены превышения Кларка по Мп до 1,1 раз, по Си - 1,3, гп - 3,7, Cd - 2,5, РЬ - 7,6 раз.
Коэффициенты накопления (Кс) техногенных элементов образуют ряд, который свидетельствует, что основными загрязнителями почв города являются соединения цинка, свинца, меди, никеля и кобальта:
Локальные зоны повышенного загрязнения отдельными веществами образуются в районах расположения стационарных источников и, как правило, занимают сравнительно небольшие пло-
Ш > Ш > РЬ > №> Си > Со > Бе > Мп (2003 г.)
гп>Са>М.>РЬ>Си>Со>Ее >Мп (2018 г.)
щади. Установлены особенности распределения ТМ в почвах различных функциональных зон города. Пробные площадки, содержащие большое количества свинца и цинка, сосредоточены в районах автомагистралей с оживленным движением транспорта и в районе ТЭЦ, котельных. Это подтверждает, что основными источниками загрязнения почв являются теплоэнергетический и автотранспортный комплексы.
По суммарному показателю концентрации ТМ
18
российский журнал прииной экологии
Рис. Зонирование территории г. Биробиджана по уровню загрязнения почвенного покрова на основе величины СПК ТМ
было выявлено 5 уровней загрязнения почв (рис.). Анализ полученных данных позволил заключить, что 58% городских почв в той или иной мере загрязнены соединениями металлов.
Заключение
Анализ накопления металлов в почвах г. Биробиджана показал, что их содержание в пределах городской застройки в 2-3 раза выше, чем в окрестностях. Очаги загрязнения формируются вблизи заводов, котельных, автотранспортных предприятий. Экологическое состояние почвенного покрова по СПК ТМ можно признать удовлетворительным: 6% площади территории характеризуется очень высоким уровнем загрязнения, 9% - высоким, 11% - выше среднего, 32% - средним, 42% территории города можно отнести к относительно чистым.
Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-013-00923.
Список литературы
1. Алексеенко В.А., Алексеенко А.В. Химические элементы в геохимических системах. Кларки почв селитебных ландшафтов. Ростов на Дону: Изд-во Южного федерального университета, 2013. 380 с.
2. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. М.: Изд-во АН СССР, 1957.
238 с.
3. Григорьева Е.А., Деркачева Л.Н., Тунего-ловец В.П. Методические подходы к оценке пространственно-временной динамики самоочищающей способности атмосферы южной части Дальнего Востока // Проблемы региональной экологии. 2005. № 3. С.33- 38.
4. Добровольский
B.В. Биосферные циклы тяжелых металлов и ре-гуляторная роль почвы // Почвоведение. 1997. №4.
C. 431-441.
5. Жарикова Е.А. Морфологические особенности и систематика городских почв Владивостока // Современные почвенные классификации и проблемы их региональной адаптации / Материалы Всерос. науч. конф. Владивосток, 2010. С. 163-166.
6. Заиканов В.Г., Ми-накова Т.Б. Геоэкологическая оценка территорий. М.: Наука, 2005. 319 с.
7. Зимовец Б.А. Поч-венно-геохимические процессы муссонно-мерзлотных ландшафтов. М.: Наука, 1967. 325 с.
8. Калманова В.Б. Открытые пространства в структуре урбанизированных территорий (на примере г. Биробиджана) // Региональные проблемы. 2016. Т. 19. № 2. С. 54-59.
9. Калманова В.Б. Система информативных показателей экологического состояния городских почв (на примере г. Биробиджана) /// Современное состояние природных комплексов и вопросы их охраны / Материалы конф. с Междунар. участием. Хабаровск, 2015. С. 164-166.
10. Калманова В.Б., Коган Р.М., Зайков Д.В. Влияние промышленно-транспортного комплекса на загрязнение снежного покрова г. Биробиджана // Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов / I Междунар. экологический конгресс. Тольятти, 2007. Т.1. С. 251-256.
11. Калманова В.Б., Матюшкина Л.А. Систематика, диагностика и картографирование городских почв юга Дальнего Востока (на примере г. Биробиджана, Еврейская автономная область) // Вестник Дальневосточного отделения РАН. 2013. № 5 (171). С. 97-104.
12. Курбатова А.С., Башкин В.Н. Экологические функции городских почв. М.: Маджента, 2004. 232 с.
13. Методика выполнения измерений содержания металлов в твердых объектах методом спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. М.: Гос.комитет РФ по охране окружающей среды, 31 с.
14. Методические указания 2.1.7.730-99 «Гигиеническая оценка качества почв населенных мест». М., 1999. 15 с.
15. Перечень предельно-допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно допустимых количеств (ОДК) химических веществ в почве. Минздрав СССР. М., 1991. 7 с.
16. Строганова М.Н., Агаркова М.Г. Городские почвы:
опыт изучения и систематики (на примере почв юго-западной части Москвы) // Почвоведение. 1992. №7. С. 16-24.
17. Экогеохимия городских ландшафтов / Под ред. Н.С. Касимова. М.: МГУ, 1995. 336 с.
18. Экология города / Под ред. Н.С. Касимова, А.С. Курбатовой и др. М.: Научный мир, 2004. 624 с.
V.B. Kalmanova. Geoecological assessment of soils in urban areas (on the example of Birobidzhan).
The assessment of the ecological state of soils based on the proposed priority indicators was carried out on the example of the middle city of the Russian Far East (Birobidzhan), taking into account the de-
veloped priority indicators, the degree of soil transformation was determined, the influence of regional natural geochemical, climatic features, planning structure and the main sources of pollution on the concentration of heavy metals in the natural components was shown. Zinc, lead and copper are the main elements at the range of toxic substances contaminating soil. From 2003 to 2018, the content of heavy metals in soil has doubled due to mobile sources of pollution, power plants and boilers. The ecological state of soils in different functional zones of the city was determined by the special point scale developed for assessment of depositing environment.
Keywords: soils; urban area; ecological and functional zones; heavy metals; Birobidzhan.
Информация об авторах
Калманова Вера Борисовна, кандидат географических наук, научный сотрудник, Институт комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН, 679016, Россия, Еврейская автономная обл., г. Биробиджан, ул. Шолом-Алейхема, 4, E-mail: [email protected].
Information about the authors
Vera B. Kalmanova, Ph.D. in Geography, Researcher, Institute for Complex Analysis of Regional Problems, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, 4, Sholom Aleichem st., Birobidzhan, Russia, 679016, E-mail: [email protected].
20
российский журннл лриклнлной экологии
