CC BY
0УДК 550.462
DOI: 10.24412/cl-37200-2024-636-640
ГЕОХИМИЧЕСКОЕ ВЛИЯНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ И ТРАНСГРАНИЧНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ ПРИ ОПУСТЫНИВАНИИ ЮГА РОССИИ И СОПРЕДЕЛЬНЫХ ТЕРРИТОРИЙ
GEOCHEMICAL INFLUENCE OF LOCAL AND TRANSBOUNDARY AEROSOLS DURING DESERTIFICATION IN THE SOUTH OF RUSSIA AND SURROUNDING TERRITORIES
Кудерина Т.М.
Kuderina T.M.
Институт географии РАН, Москва, Россия Institute of Geography RAS, Moscow, Russia
E-mail: kuderina@igras.ru
Аннотация. Многолетний мониторинг геохимического состава приземных аэрозолей в степных лесостепных ландшафтах юга ЕТР позволил выявить закономерности дифференциации химических элементов в приземной атмосфере. Усиление процессов опустынивания приводит к увеличению запыления атмосферы, которое оказывает заметное влияние на деградацию этих ландшафтов. Годовая динамика массового содержания аэрозолей показывает, что конвективный вынос идет при максимальных температурах воздуха, а максимальные содержание в весенний и осенний периоды связаны с проводимыми сельскохозяйственными работами. Повышенные концентрации химических элементов в приземной атмосфере природных ландшафтов указывают на усиление локальной эмиссии аэрозолей с иссушенных поверхностей. Увеличении трансграничного переноса вещества наблюдается при вторжении воздушных масс западных и южных направлений, при которых фиксируется загрязнение тяжелыми металлами.
Ключевые слова: атмосферные аэрозоли, геохимический состав, природные и антропогенные ландшафты.
Abstract. Long-term monitoring of the geochemical composition of surface aerosols in the steppe forest-steppe landscapes of the south of the ETR makes it possible to identify patterns of differentiation of chemical elements in the surface atmosphere. The intensification of desertification processes leads to an increase in atmospheric dust, which has a noticeable effect on the degradation of these landscapes. The annual dynamics of the aerosol mass content shows that convective removal occurs at maximum air temperatures, and the maximum content in the spring and autumn periods is associated with ongoing agricultural work. Increased concentrations of chemical elements in the surface atmosphere of natural landscapes indicate an increase in local aerosol emissions from dried surfaces. An increase in transboundary transport of substances is observed with the intrusion of air masses from western and southern directions, in which heavy metal pollution is recorded.
Key words: atmospheric aerosols, geochemical composition, natural and anthropogenic landscapes.
Введение. Современные изменения климата активно влияют на ландшафты России. Особенно сильно это проявляется в переходных природных зонах. На юге России от повышения температур и уменьшения осадков страдают степные и лесостепные ландшафты. В России степные и лесостепные ландшафты занимают около 1926 тыс. км2, что составляет около 11% территории страны. Практически более 80% этой территории были подвержены площадному сельскохозяйственному освоению [1]. В настоящее время происходит изменение структуры землепользования, которое оказывает значительное воздействие на формирование природных и антропогенных ландшафтов. Конвенция ООН по борьбе с опустыниванием (КБО) предлагает использовать концепцию нейтрального баланса деградации земель (НБДЗ) [2], где основной задачей является поиск региональных индикаторов устойчивого землепользования. В степной и лесостепной зоне таким динамичным региональным индикатором могут выступать приземные аэрозоли.
Методология. В семиаридных геосистемах основная лимитирующая роль отводится атмосферным процессам, приводящим к опустыниванию. Длительное повышение температур воздуха вызывает иссушение поверхности почв и грунтов, деградацию растительности, геохимическое и геофизическое выветривание, сопровождающееся эмиссией вещества в атмосферу. Увеличение градиента температур в компонентах ландшафтов приводит к усилению приземных ветров и ветровой эрозии и эоловому выносу значительных масс материала на
сопредельные территории. В то же время площадная распашка и техногенез приводят к формированию обширных площадей разной степени деградации, которые также подвержены опустыниванию.
Для определения современного состояния ландшафтов использовался ландшафтно-геохимический подход [3]. Результаты геохимической оценки самых динамичных компонентов ландшафтов - приземных аэрозолей - позволят сделать прогноз их функционирования. Одним из подходов к оптимизации природопользования является геохимическое моделирование на основе актуального мониторинга, где в основе лежит функционирование природных ландшафтов с наложенным антропогенным влиянием и трансграничным воздействием.
Природная модель в нашем исследовании опиралась на определение геохимического состава аэрозолей как самого динамичного компонента ландшафта.
Антропогенная модель выявляла площади залежных и пахотных земель, которые приводят к запылению атмосферы. При обширных незащищенных территориях в отсутствии лесополос и оптимальной агротехнике происходит вынос плодородного слоя при локальном и дальнем переносе. Также сюда включается определение загрязнения при влиянии техногенных объектов.
Трансграничный перенос в современных условиях начинает играть ведущую роль при переносе запыления из зон опустынивания и антропогенном загрязнении территории. В последние годы увеличились прямые вторжения воздушных масс с последствиями пыльных бурь. Наблюдается влияние атмосферных осадков и твердых выпадений проходящих воздушных масс, сформированных над антропогенными источниками загрязнения атмосферы.
Оптимизация природопользования, опирающаяся на ландшафтно-геохимический подход, позволяет выбирать наиболее приемлемые для каждого конкретного ландшафта типы землепользования или рекультивации деградированных земель. При этом должны быть минимизированы источники выноса вещества в атмосферу.
Ландшафтно-геохимические исследования в субгумидной зоне ЕТР проводились в автономных ландшафтах с контролем наземных метеопараметров при установлении максимальных температур воздуха в июле-августе. При полевых измерениях аэрозолей использовалась методика определения массового содержания микроэлементов в атмосферных аэрозолях, отбор проб осуществлялся мобильным полевым аэрозольным комплексом на фильтры АФА-ХА-20 с последующим определением химического состава аэрозоля методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-AES).
Особое внимание уделялось химическим элементам глобального распространения и тяжелым металлам [4]. Геохимический анализ опирался на расчет коэффициентов аэрозольной концентрации (Как = содержание элемента в пробе аэрозолей/кларк земной коры) [5].
Результаты исследований. Экспериментальные геохимические исследования приземных аэрозолей юга европейской территории России (ЕТР) проводились многие годы в лесостепной и степной зонах в природных и подверженных антропогенному влиянию ландшафтах [6, 7]. Многолетние измерения среднесуточной концентрации приземных аэрозолей показывают высокую изменчивость, зависящую от общего состояния атмосферы над территориями стационарных точек наблюдения в сухостепной Калмыкии и степной Волгоградской области в летний период (таблица 1).
Результаты аэрозольного мониторинга показывают тенденцию к увеличению концентрации аэрозоля, нарушенную максимумами в засушливые 2010-2014 гг. Большой разброс показателей связан с неустойчивостью атмосферы при мозаичности ландшафтов. Однако можно принять как фоновые средние массовые концентрации аэрозолей для степной зоны ЕТР - 34 мкг/м3 и сухостепной зоны Калмыкии - 125 мкг/м3 для дальнейших исследований антропогенного влияния и трансграничного переноса.
В целом, элементный состав приземных аэрозолей на этих стационарах выявил невысокие концентрации основных элементов при спокойной атмосфере и повышенные концентрации серы и селена. Значительное превышение концентраций тяжелых металлов наблюдалось в отдельные годы для кадмия, ртути, висмута, теллура, а также в меньшей степени меди, ртути, мышьяка и сурьмы. Синоптическая обстановка и расчет обратных траекторий воздушных масс позволил оценить это загрязнение, связанное как с антропогенными региональными источниками, так и с трансграничным переносом.
Годовой аэрозольный мониторинг на вышке наблюдения на высоте 30 м представлен в таблице 2 и показывает, что в теплый период года заметной влияние на состояние приземной атмосферы оказывает весенняя распашка территории и активная уборка урожая.
Таблица 1
Многолетняя изменчивость среднесуточной концентрации приземных аэрозолей в Калмыкии и Волгоградской области
Точка наблюдений Год Мкг/м3
Калмыкия 2007 74
2009 36
2011 346
2013 85
2014 198
2016 58
2020 86
2021 114
Волгоградская область 2012 43
2017 31
2018 25
2019 34
2020 22
2021 47
Таблица 2
Коэффициенты аэрозольной концентрации химических элементов глобального значения на ключевых точках наблюдения на юге ЕТР
Химический элемент Вышка 30 м в Курске
май июнь июль август сентябрь
P 1,51 1,03 2,10 4,02
S 37,86 13,91 19,14 80,27 54,16
и 1,42
Ca 1,51 2,03
Cs 1,99
и 1,22
Геохимический анализ приземных аэрозолей в ключевых точках наблюдения в степной и лесостепной зонах ЕТР представлен в таблице 3. Отбор проб осуществлялся вкрест простирания юга ЕТР - от северного склона Кавказа до лесостепной зоны и от западной части до юга Урала.
Полученные расчеты показывают, что в предгорьях ЕТР в аэрозолях преобладают литогенные элементы. Максимальные концентрации этих химических элементов наблюдаются в приземном слое на Стрижаменте и южном Приуралье из-за увеличения поверхностного выветривания горного ландшафта. Особо хочется отметить, что повышение концентрации многих элементов связано с переносом воздушных масс с иссушенных окружающих равнин, где заметное влияние оказывают как дальние источники эмиссии, так и окружающие агро- и техногенные территории.
Трансграничный перенос загрязнения наблюдается на всей территории исследования при вторжении воздушных масс. Техногенное влияние на ключевые точки наблюдений обычно маркируют мышьяк и тяжелые металлы. Так на вышке Центрально-черноземного заповедника измеренный приземные аэрозоли были обогащены свинцом, вольфрамом, ртутью и кадмием в весенний период, а молибденом - в осенний. На Стрижаменте увеличение концентрации техногенных элементов наблюдалось при западных направлениях ветра. В Оренбургской области в приземных аэрозолях превышения концентрации имели ванадий, хром, никель и медь.
Таблица 3
Коэффициенты аэрозольной концентрации (ККа) химических элементов глобального распространения на пунктах наблюдений юга ЕТР
Элемент №НС Стрижамент Камышевка Кучугуры ЦНС Богдо Корсакбаш КБС Кармалей Претория
Степи Лесостепь
B 3,7 1,6 1,2 60 45 13
Al 1 1 2,6 2,3 1,6
P 1,9 4 3 2 1,6 13 15 1 4 12
S 104 137 69 63 42 392 454 19 125 539
Li 2,5 2 1,2 4,4 3,7 2,6
Mg 1,2 1 3,2 3,5 3,4
K 2,6 1,2 4,8 2,4 2,8
Ca 2,2 3, 6 1,6 1,5 5,6 5 1,6 4,7
Rb 1,2 2 2 2
Sr 1,3 1,4 3,2 2 2
Cs 1,4 3,4 2,5 1,5 5,7 8 7,6
Ba 1 3,5 2,4 4,1
Заключение. Усиления процессов опустынивания и деградации земель приводит к атмосферному загрязнению как природными компонентами, так и опасными веществами. Увеличение запыления усиливает опасные метеорологические процессы (образование ливневых осадков, загрязнение природных ландшафтов и др.). Необходимо проводить актуальный геохимический и геофизический мониторинг локальных и трансграничных аэрозолей с определением их количества и химического состава.
Для экологической оптимизации антропогенных ландшафтов и устойчивого развития субгумидных регионов в условиях современных изменений и вызовов необходим оптимальный выбор видов природопользования. Например, для животноводства проводить выбор видов сельскохозяйственных животных, не нарушающих почвенный и растительный покров (степные бараны и бычки, кони, верблюды). Для пашни использовать только сильно выположенные долинные ландшафты с мощной лесозащитой (кустарничковый пояс) или оазисное земледелие с использованием капельного полива. Для устойчивого развития территории поддерживать садоводство по поймам рек, способствующее сохранению ландшафтов. B целом, необходимо провести актуальное зонирование ландшафтов по степени устойчивости к деградации и предложения оптимальных методов землепользования.
Полученные результаты могут быть использованы для экологической оценки состояния природных и антропогенных ландшафтов юга России.
Работа выполнена по государственному заданию ИГ РАН «Биотические, географо-гидрологические и ландшафтные оценки окружающей среды для создания основ рационального природопользования» FMWS-2024-0007 (1021051703468-8).
Список литературы
1. Стратегия устойчивого развития сельских территорий Российской Федерации на период до 2030 года I Распоряжение Правительства РФ от 02 февраля 2015 г.
2. Kust German, Andreeva Olga, Cowie Annette. Land degradation neutrality: Concept development, practical applications and assessment II Journal of Environmental Management. 2017. Vol. 195. No 1. P. 16-24. http:IIdx.doi.orgI10.1016Ij.jenvman.2016.10.043.
3. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. M.: Астрея, 2000, 1999. 610 с.
4. Иванов B.B. Экологическая геохимия элементов: Справочник: в 6 кн. М.: Недра, 1994. Кн. 2: Главные р-элементы. 303 с.
5. Добровольский B.B. Биогеохимия мировой суши I Избр. труды. Т. III. M.: Научный мир, 2009. 440 с.
6. Губанова Д.П., Чхетиани О.Г., Кудерина Т.М., Иорданский М.А., Обвинцев Ю.И., Артамонова М.С. Экспериментальные исследования аэрозолей в атмосфере семиаридных ландшафтов Калмыкии. 1. Микрофизические параметры и массовая концентрация аэрозольных частиц // Геофизические процессы и биосфера. 2018. Т. 17. № 1. С. 5-29. Б01: 10.21455ЮРВ2018.1-1.
7. Губанова Д.П., Чхетиани О.Г., Кудерина Т.М., Иорданский М.А., Максименков Л.О., Артамонова М.С. Многолетняя изменчивость состава приземного аэрозоля в опустыненных и засушливых зонах юга России // Оптика атмосферы и океана, 2022. Т. 35. № 6. С. 680-690. DOI: 10.15372/А00202206.
