CC BY
10
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 1
Научная статья УДК 631.416.9
doi: 10.18522/1026-2237-2023-1-49-60
ОСОБЕННОСТИ ТРАНСФОРМАЦИИ МИКРОЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ПОЧВ ГОРОДА СТАВРОПОЛЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ УРБОГЕНЕЗА
Татьяна Васильевна Дегтярева
Северо-Кавказский федеральный университет, Ставрополь, Россия 70@mail.ru
Аннотация. В статье рассматриваются особенности изменения микроэлементного состава городских почв Ставропольской агломерации под влиянием урбогенеза. Урбогенез как совокупность техноге-неза и ландшафтогенеза на территории городской застройки затрагивает многие стороны функционирования почв. Меняются их физические свойства, химический состав, строение и взаиморасположение генетических горизонтов. Особую актуальность приобретает установление специфики трансформации микроэлементного состава городских почв в связи с экологической опасностью значительного количества микроэлементов, относимых к тяжелым металлам.
Для города Ставрополя характерным является сложный тип застройки, сочетающий в себе одно- и многоэтажные строения, промышленную инфраструктуру, коммунально-бытовые объекты. Это приводит к формированию разнонаправленных потоков загрязняющих веществ, большая часть которых поступает в почвы или замещающие их почвогрунты. Наличие четко выраженного склонового рельефа в центральной части города обусловливает перераспределение пылеватых фракций с водными и воздушными потоками в восточном направлении. При этом различия в характере почвообразующих пород для разных частей города во многом изменяют картину дифференциации микроэлементов в почвах города, связанную с особенностями их закрепления в составе почвенных соединений. Для северо-западного и центрального районов города, где наблюдаются выходы к поверхности сарматских известняков-ракушечников, определяющую роль в связывании микроэлементов в почвах играют карбонаты кальция. В почвах юго-западного и южного районов города, сформированных на лессовидных суглинках, большое значение в закреплении микроэлементов имеют органоминеральные комплексы гуминовых кислот. В днищах речных долин и балок, образованных продуктами размыва сарматских глин, микроэлементы в почвах находятся в составе илистых фракций. Под лесопарковыми массивами города формируется несколько главенствующих фаз - носителей микроэлементов в почвах, в зависимости от преобладания того или иного типа почвообразующих отложений в разных частях лесного массива. В целом особенности закрепления микроэлементов в почвах городской агломерации Ставрополя определяются как природными характеристиками территории, так и спецификой антропогенного воздействия на почвенный покров потоков загрязняющих веществ.
Ключевые слова: городские почвы, микроэлементы, загрязнение, тяжелые металлы, функциональные зоны
Для цитирования: Дегтярева Т.В. Особенности трансформации микроэлементного состава почв города Ставрополя под влиянием урбогенеза // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2023. № 1. С. 49-60.
Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY4.0).
© Дегтярева Т.В., 2023
Original article
FEATURES OF TRANSFORMATION OF THE MICROELEMENT COMPOSITION OF SOILS IN THE CITY OF STAVROPOL UNDER THE INFLUENCE
OF URBOGENESIS
Tatyana V. Degtyareva
North Caucasus Federal University, Stavropol, Russia dtb. 70@mail.ru
Abstract. The article discusses the features of changes in the microelement composition of urban soils of the Stavropol agglomeration under the influence of urban genesis. Urban genesis, as a combination of technogenesis and landscape genesis on the territory of urban development, affects many aspects of soil functioning. Their physical properties, chemical composition, structure and mutual arrangement of genetic horizons change. Of particular relevance is the establishment of the specifics of the transformation of the microelement composition of urban soils in connection with the environmental hazard of a significant amount of trace elements classified as heavy metals.
The city of Stavropol is characterized by a complex type of development, which combines one-story and multistory buildings, industrial infrastructure, and household facilities. This leads to the formation of multidirectional flows ofpollutants, most of which enters the soil or subsoils. The presence of a clearly defined slope relief in the central part of the city causes the redistribution of silty fractions with water and air flows in an easterly direction. At the same time, differences in the nature of soil-forming rocks for different parts of the city largely change the pattern of differentiation of microelements in the soils of the city, associated with the peculiarities of their fixation in the composition of soil compounds. For the northwestern and central regions of the city, where Sarmatian limestone-shell rocks are exposed to the surface, calcium carbonates play a decisive role in the binding of trace elements in soils. In the soils of the southwestern and southern districts of the city, formed on loess-like loams, organomineral complexes of humic acids are of great importance in fixing microelements. In the bottoms of river valleys and gullies, formed by erosion products of Sarmatian clays, microelements in soils are present in silty fractions. Under the forest parks of the city, several dominant phases - carriers of microelements in soils are formed, depending on the predominance of one or another type of soil-forming deposits in different parts of the forest. In general, the features of the fixation of microelements in the soils of the Stavropol urban agglomeration are determined both by the natural characteristics of the territory and the specifics of the anthropogenic impact on the soil cover ofpollutant flows.
Keywords: urban soils, microelements, pollution, heavy metals, functional zones
For citation: Degtyareva T.V. Features of Transformation of the Microelement Composition of Soils in the City of Stavropol Under the Influence of Urbogenesis. Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2023;(1):49-60. (In Russ.).
This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC-BY4.0).
Введение
Город Ставрополь располагается в лесостепной провинции ландшафтов Ставропольского края, на территории Верхнеегорлыкского лесостепного ландшафта, выделенного В.А. Шальне-вым [1]. Его формирование как городского поселения имеет более чем двухсотлетнюю историю. Особенно интенсивно расширение городской территории произошло за последние 20 лет, когда были построены многочисленные многоэтажные кварталы на землях, примыкающих к старому городу с юга и юго-запада. Это привело к увеличению площади антропогенного воздействия на почвенный покров, его интенсивности в трансформировании свойств и характеристик почв новых микрорайонов города. В связи с этим актуальным является определение степени антропогенного загрязнения почвенного покрова города тяжелыми металлами, многие из которых являются микроэлементами, играющими важную роль в функционировании экосистем [2].
Цель исследования - на основании собственных полевых изысканий и материалов анализа литературных источников по теме исследования дать характеристику специфики загрязнения почвенного покрова городской агломерации Ставрополя тяжелыми металлами, определить основные особенности закрепления микроэлементов в почвах города. Данное исследование позволяет
наметить главные закономерности, свойственные трансформации микроэлементного состава почв в условиях городов.
Материалы и методы исследования
В основу работы положены собственные полевые исследования на территории различных функциональных зон города Ставрополя за период с 1999 по 2020 г. Проводился отбор почвенных проб (ГОСТ 28168-89), их анализ на содержание валовых и подвижных форм четырех микроэлементов (Pb, Cu, Zn и Cd) методами атомно-абсорбционной и рентген-флуоресцентной спектрометрии. Помимо этого, в почвенных образцах определяли некоторые физико-химические характеристики: содержание гумуса - методом мокрого озоления по И.В. Тюрину (ГОСТ 2621391), рН водной вытяжки - методом потенциометрии (ГОСТ 26423-85), гранулометрический состав - методом Н.А. Качинского. Определение подвижных (обменных) форм микроэлементов осуществляли с помощью экстракции ацетатно-аммонийным буферным раствором (рН 4,8) при соотношении почва:раствор 1:5 [3] и последующей оценкой содержания микроэлементов на атомно-абсорбционном спектрометре «Квант». Все анализы проводили в аккредитованных лабораториях в трехкратной повторности. Статистическая обработка результатов исследования соответствовала установленным нормам и выполнена в программе Excel.
Определение коэффициентов концентрации (Кс) проводилось согласно [4], как отношение содержания элемента в исследуемом объекте (Ci) к среднему фоновому его содержанию (Сф). Суммарный показатель загрязнения (Zc) рассчитывался по формуле Zc = XKc - (n-1), где n - количество аномальных химических элементов, у которых Кс>1,5.
В связи с тем, что в исследовании определялось небольшое количество химических элементов (всего четыре - Cu, Zn, Cd, Pb), нами предложен новый метод определения суммарного загрязнения небольшим количеством загрязнителей путем расчета суммарного комплексного коэффициента загрязнения ХКкз, равного отношению сумм фоновых содержаний элементов (Сф) к результату сложения фоновых содержаний элементов (Сф) с содержаниями элементов в исследуемом объекте (С):
=_Сф1 + Сф2 + Сфз + —_
кз Сф\ + Сф2 + Сфз + — + Сц + Сг'2 + Сг'з —
Физический смысл суммарного комплексного коэффициента DКкз состоит в определении степени превышения концентраций небольшой группы химических элементов над фоновым уровнем для данной территории и градации по антропогенной преобразованности микроэлементного состава почв. На основании значений ХКкз предлагается следующая шкала антропогенной трансформации микроэлементного состава почв (табл. 1).
Таблица 1 / Table 1
Шкала антропогенной трансформации микроэлементного состава почв / Scale of anthropogenic transformation of microelement composition of soils
Суммарный комплексный коэффициент загрязнения Т.Ккз Степень антропогенной трансформации микроэлементного состава почв
<0,5-0,3 Умеренная (слабая)
0,3-0,2 Сильная
<0,2 Очень сильная
Полученные результаты и их обсуждение
Город Ставрополь относится к категории крупных городов по числу жителей - около 458 тыс. человек. Их сосредоточение на территории города достаточно равномерное, в то же время сложившаяся транспортная сеть привела к очень неравномерному перераспределению транспортной нагрузки на улицы города. Определённые районы города испытывают значительное воздействие транспорта в часы пик, но есть улицы, где это воздействие минимально. Увеличение в по-
следние годы (10-15 лет) числа автомобилистов вызвало превращение автомобилей и автотранспорта в главный фактор загрязнения почвенного покрова города продуктами их деятельности (выхлопные газы, частицы шин, тормозных колодок и т.д.), при осаждении которых в почву попадают загрязняющие вещества, в том числе и тяжелые металлы [5]. Роль промышленного производства в загрязнении почвенного покрова тяжелыми металлами несколько снизилась по сравнению с предшествующим периодом в связи с внедрением предприятиями более совершенных технологических решений по очистке своих отходов и предотвращению их попадания в окружающую среду. Свою роль в этом сыграла деятельность надзорных органов, обеспечивающих контроль за соблюдением экологических нормативов на предприятиях города. В то же время загрязнение городских почв отходами автотранспорта не поддается регулированию, несмотря на строительство целого ряда объездных магистралей в черте города. Неравномерное распределение транспортной нагрузки привело к тому, что почвы в местах сосредоточения автотранспорта в часы пик испытывают самое сильное поступление загрязняющих веществ из атмосферы. Разгрузка центральной части города от автотранспорта вызвала возникновение новых зон концентрирования машин и общественного транспорта, а также зон интенсивного загрязнения почв тяжелыми металлами.
Для дачных районов города и территорий с одно-, двухэтажной частной застройкой основными источниками загрязнения почвенного покрова служат неутилизированные бытовые отходы, такие как лакокрасочные материалы, строительные добавки, различные удобрения и применяемые населением средства защиты растений от вредителей. Несмотря на то что в самих удобрениях концентрация тяжелых металлов обычно незначительна, их постоянное внесение вызывает изменение щелочно-кислотного баланса в почве и способствует усилению процессов внутрипочвенной трансформации микроэлементного состава.
Лесопарковые массивы города Ставрополя отличаются расположением внутри городской застройки (Таманская и Мамайская лесные дачи, парк Победы, Члинский лес) либо непосредственным примыканием к ней (Русский лес, Татарский лес). Наибольшее антропогенное воздействие на почвенный покров под лесопарковыми массивами производится в первом случае и выражается в поступлении загрязняющих веществ (в том числе и тяжелых металлов) с близлежащих автомобильных дорог, захламлении бытовым мусором, утаптывании (при отсутствии оборудованных тропинок). Наличие древесной растительности служит значительным буферным фактором, снижающим концентрации загрязнителей в почвенном покрове лесопарковых массивов города.
Важным элементом формирования картины распределения тяжелых металлов в почвах города является рельеф, который отличается наличием как выположенных поверхностей (платооб-разные районы города на северо-западе и юге, юго-западе), так и склоновых (районы Ташлы, Мамайки, частично центра). Наличие местами крутых склонов обусловливает перемещение почвенных масс вниз по склонам и накопление материала гумусовых горизонтов в днищах речных долин и балок. При этом происходит и перераспределение микроэлементов, аккумулированных в верхних горизонтах почв.
Другим существенным фактором, определяющим общие особенности распределения тяжелых металлов в почвах города, является климат, в частности количество осадков, их характер выпадения, интенсивность. Для Ставрополя годовое количество осадков составляет 663 мм [6]. Выпадают они преимущественно в весенне-летний период в виде ливней (60 %). В осенне-зимний период преобладают осадки обложного характера в виде дождей с ветром или снега. Интенсивный ливневый характер поступления осадков на поверхность почвы приводит к образованию большого количества сточных вод, которые смывают верхние горизонты, оголяют корневую систему растений, выносят почвенные массы по системе ливневых стоков в городские речки. Все это вызывает обеднение почв по содержанию микроэлементов, особенно на склонах.
Почвы города Ставрополя отличаются достаточно большим разнообразием. На платообраз-ных поверхностях на продуктах разрушения сарматских известняков и песчаников развиты черноземы типичные остаточно-карбонатные. Для них характерны средняя мощность почвенных горизонтов (76-80 см), среднесуглинистый гранулометрический состав (содержание физической глины - 39,77 %), слабощелочная среда в гумусовом горизонте (pH 7,7±0,11). Сумма поглощенных оснований составляет 25,4-27,8 мг-экв/100 г, содержание гумуса - 4,68±0,2 %. На лессовидных суглинках, широко представленных на платообразных поверхностях юго-западного и юж-
ного районов города, развиты черноземы типичные глубоковскипающие мощные тяжелосуглинистого гранулометрического состава. Их отличают более глубокое залегание карбонатов (ниже 60 см), более высокая сумма поглощенных оснований (32-35 мг-экв/100 г), значительное содержание гумуса (6,44±0,3 %). Содержание физической глины в гумусовом горизонте - 57,24 %.
В средней (центральной) части города почвы формируются на выходах сарматских песков, известняков-ракушечников, песчаников. Склоновый характер рельефа этой части города приводит к постоянному сносу материала гумусовых горизонтов преимущественно в восточном направлении. Почвам присущи среднесуглинистый гранулометрический состав, невысокое содержание гумуса (2,64±0,2 %), слабощелочная реакция среды гумусового горизонта (pH 7,28±0,1). Их отличает также высокая степень преобразованности, связанная с длительным (более 200 лет) антропогенным воздействием на почвенный покров в этой части города.
Восточные районы города представляют собой территории речных долин и балок, сложенных делювиальными и аллювиальными отложениями тяжелого гранулометрического состава (в поймах рек Мамайка, Желобовка, Ташла, Мутнянка). Здесь обнажаются нижне- и среднесарматские глины, которые часто содержат большое количество легкорастворимых солей. На них формируются черноземы типичные слабосолонцеватые различной степени засоления. В поймах рек развиты аллювиальные и лугово-черноземные почвы.
В лесопарковых массивах города почвенный покров развивается на различных типах отложений. В верхней части города - на продуктах разрушения холоднородниковских известняков и песчаников, в средней части города - на выходах форштатских песков, песчаников, продуктах разрушения карабинских известняков, мергелей, глин. Преимущественно под лесопарковыми массивами города сформированы темно-серые лесные почвы, но местами встречаются черноземы деградированные (на месте искусственных древесных насаждений по окраинам лесных массивов), бурые лесные слабооподзоленные (на месте оставшихся буковых участков леса) [6]. Большая часть лесопарковых массивов приурочена к склонам и днищам речных долин (рек Ташла, Мамайка, Мутнянка, Чла), и поэтому их почвенный покров часто подвержен водной эрозии различной степени, в зависимости от положения местного базиса эрозии.
Естественные почвы в черте города сохранились в местах отсутствия капитальных строений, асфальтированного покрытия, различного типа тротуаров, дорожек, подземных коммуникаций и т.д. Наличие всех этих объектов способствовало превращению почв в урбаноземы, индустри-земы, экраноземы и другие разновидности городских почв, в разной степени преобразованных антропогенной деятельностью. Их выделение в черте города Ставрополя основывается на современных подходах к их классификации [7]. В процентном соотношении на территории города Ставрополя преобладают урбаноземы и экраноземы в местах интенсивной застройки. Культуро-земы и поверхностно преобразованные почвы занимают периферию городской территории вместе с сохранившимися участками естественных почв.
Изучение распределения микроэлементов в почвенном покрове города показало неравномерный характер накопления химических элементов (табл. 2).
Таблица 2 / Table 2
Особенности распределения микроэлементов в почвах г. Ставрополя в различных функциональных зонах / Features of the distribution of trace elements in the soils of Stavropol
in various functional zones
Функциональная зона Среднее валовое содержание в гумусовом горизонте± погрешность, мг/кг
Cu Zn Cd Pb
Промышленная 76,3±7,6 167,6±16,1 2,26±0,2 173,1±16,9
Селитебная многоэтажная 69,4±6,9 155,9±7,9 1,81±0,1 130,6±13,0
Селитебная одно-, двухэтажная 71,0±7,0 142,6±19,9 1,50±0,1 124,3±11,9
Лесопарковая 47,9±4,7 93,0±9,3 1,12±0,1 57,4±5,7
Дачная 45,9±4,5 84,1±8,3 0,99±0,09 58,9±5,8
Фоновая территория (музей-заповедник «Татарское городище») 32,6±3,2 68,4±6,8 0,57±0,05 37,8±3,7
Максимальное содержание микроэлементов установлено на территории промышленных зон (Cu - 76,3 мг/кг, Zn - 167,6 мг/кг, Pb - 173,1 мг/кг, Cd - 2,26 мг/кг). Это свидетельствует о значительном накопительном эффекте, свойственном промышленному типу антропогенного воздействия на почвенный покров города. В то же время для дачной и лесопарковой функциональных зон отмечены минимальные содержания микроэлементов, что указывает на более низкую интенсивность поступления тяжелых металлов в почвы этих зон. Помимо этого, выявляются различия в антропогенном воздействии на почвенный покров селитебных зон с различным типом застройки. В условиях многоэтажной застройки воздействие на почвенный покров более сильное в связи со значительным преобразованием строения почвенного профиля, заменой гумусовых горизонтов различными почвогрунтами, прокладкой коммуникаций, отчуждением растительной массы при уборке газонов от листвы. Все это приводит к нарушению протекания естественных почвенных процессов и к тому, что разрушаются свойственные природным почвам миграционные потоки химических элементов. Запечатанность больших поверхностей в черте селитебной многоэтажной зоны сказывается на температурном, водном, солевом режимах экранированных почв, на развитии в них биогеохимических процессов [7]. Поступление тяжелых металлов в поверхностные горизонты почв открытых газонов или придомовых территорий происходит главным образом от автотранспорта либо с пылью, попадающей с запечатанных асфальтобетонным покрытием поверхностей. Это вызывает увеличение концентраций тяжелых металлов в поверхностных горизонтах открытых (незапечатанных) почв и поч-вогрунтов за счет их высокой депонирующей способности по сравнению с асфальтобетонными покрытиями.
В селитебной зоне одно-, двухэтажной частной застройки процент запечатанности почвенного покрова несколько ниже и поступление тяжелых металлов происходит на большую поверхность открытых почв. Это дает снижение концентраций микроэлементов, приходящихся на единицу площади открытой почвенной поверхности.
В целом распределение микроэлементов в почвенном покрове города Ставрополя подчиняется нескольким закономерностям:
1. Максимальные концентрации химических элементов приурочены к территориям с интенсивной многолетней транспортной и промышленной нагрузкой.
2. Минимальные содержания микроэлементов обнаруживаются в относительно геохимически устойчивых к антропогенному воздействию и обладающих буферной способностью лесопарковых массивах, в удаленных от крупных предприятий и транспортных сетей районах дачной застройки.
3. Относительно средние уровни содержания микроэлементов приходятся на районы селитебной застройки. При этом в почвах с одно-, двухэтажной частной застройкой содержание микроэлементов имеет более равномерный характер распределения, а в почвах с многоэтажной застройкой отмечаются резкие колебания в распределении микроэлементов.
4. В связи с тем, что большая часть почв в центральной части города находится в запечатанном состоянии под асфальтобетонным или плиточным покрытием, эти почвы выпадают из единой системы миграционных потоков тяжелых металлов, связывающей городскую территорию и определяющей картину латерального распределения микроэлементов.
Особенности загрязнения городских почв тяжелыми металлами. Важной составляющей общего экологического состояния городской территории является степень загрязнения почвенного покрова наиболее приоритетными поллютантами - тяжелыми металлами [2]. Их опасность для окружающей среды и здоровья человека подтверждена многочисленными исследованиями [4, 5] и традиционно в нашей стране определяется по суммарному показателю загрязнения Zc Ю.Е. Саета [4]. Использование Zc для выявления степени загрязнения почв города Ставрополя тяжелыми металлами показало относительно невысокий уровень накопления суммарного загрязнения в почвенном покрове различных функциональных зон (табл. 3).
Такие показатели Zc в почвах городской территории Ставрополя свидетельствуют о невысокой степени накопления рассмотренной группы тяжелых металлов - на уровне низкого загрязнения. Это может быть связано либо с действительно невысоким загрязнением городских почв тяжелыми металлами, либо с использованием ограниченного количества химических элементов (только четырех - Cu, Zn, Cd, Pb) для определения показателя Zc. Для сопостав-
ления результатов нами проведен расчет предложенного выше суммарного комплексного коэффициента загрязнения ЕКкз, который позволяет провести градацию степени трансформации микроэлементного состава почв при небольшом количестве рассматриваемых химических элементов. Полученные значения ЕКкз для почв функциональных зон Ставрополя приведены в табл. 4.
Таблица 3 / Table 3
Значения показателей загрязнения тяжелыми металлами в почвенном покрове г. Ставрополя / Values of indicators of pollution by heavy metals in the soil cover of the city of Stavropol
Функциональная зона Кс Zc
Cu Zn Cd Pb
Промышленная 2,34 2,45 3,96 4,58 10,33
Селитебная многоэтажная 2,13 2,28 3,18 3,44 8,03
Селитебная одно-, двухэтажная 2,18 2,08 2,64 3,29 7,19
Лесопарковая 1,47 1,36 1,96 1,52 2,48
Дачная 1,41 1,23 1,74 1,56 2,30
Таблица 4 / Table 4
Значения суммарного комплексного коэффициента загрязнения (ЕКкз) тяжелыми металлами почв г. Ставрополя / The values of the total complex coefficient of pollution (EKcz) with heavy metals
of soils in the city of Stavropol
Функциональная зона £Ккз Степень антропогенной трансформации микроэлементного состава почв
Промышленная 0,25 Сильная
Селитебная многоэтажная 0,28 Сильная
Селитебная одно-, двухэтажная 0,29 Сильная
Лесопарковая 0,41 Слабая
Дачная 0,42 Слабая
Исходя из полученных данных, достаточно высокая степень антропогенной трансформации микроэлементного состава почв (на уровне «сильная») характерна для почв промышленной зоны, районов с многоэтажной и одно-, двухэтажной застройкой. Умеренная («слабая») степень антропогенной трансформации микроэлементного состава почв (ЕКкз=0,41-0,42) выявлена для территорий лесопарковых массивов и дачных поселков.
Таким образом, использование предложенного суммарного комплексного коэффициента загрязнения ЕКкз показало более высокую степень загрязнения тяжелыми металлами почвенного покрова города Ставрополя по сравнению со значениями суммарного показателя загрязнения Zc. На наш взгляд, расчет ЕКкз позволяет обойти методические трудности, возникающие при определении значений при небольшом количестве исследуемых химических элементов.
Особенности закрепления микроэлементов в почвах г. Ставрополя. Анализ работ в области химии почв позволяет предположить общие особенности закрепления микроэлементов, характерные для разных районов г. Ставрополя. В большей степени эти особенности определяются спецификой почвообразующих пород и свойственных им преобладающих фаз - носителей микроэлементов, поступающих или формирующихся в почве при их непосредственном участии. Также оказывает влияние характер протекающих почвенных процессов, приводящих к накоплению в городских почвах определенных фаз - носителей микроэлементов в различных частях почвенного профиля. Важным фактором развития системы почвенных соединений микроэлементов в условиях города выступает антропогенная нагрузка, обладающая специфическим воздействием на свойства почв.
ISSN 1026-2237 BULLETINOFHIGHEREDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTHCAUCASUSREGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 1
На территории города Ставрополя почвенный покров развивается на нескольких почвообра-зующих комплексах отложений, определяющих в большой степени формирование в почвах преобладающих соединений микроэлементов с другими составляющими. В местах близкого расположения к поверхности холоднородниковских и карабинских известняков (северо-западный район, частично центральная часть города) сформированные на них почвы содержат большое количество карбонатов и закрепление микроэлементов происходит преимущественно в составе бикарбонатов. Эти соединения малоподвижны в почвенном профиле в силу их комплексного характера [8, с. 96]. Закрепление в составе карбонатов находит косвенное подтверждение в установленных для почв северо-западного района города значимых корреляционных связях (р<0,05) между содержанием Pb, Cd и pH (г = 0,68 и г = 0,77 соответственно). Преимущественный тип внутрипрофильного распределения Pb - аккумулирование в гумусовом горизонте, Cd - равномерный.
В местах залегания достаточно мощных толщ лессовидных суглинков (юго-западный район города, частично его южная часть) развиваются почвы с большим содержанием органоминераль-ных комплексов гуминовых кислот. Известно, что микроэлементы связываются в их составе различными способами: как адсорбцией, так и окклюдированием, либо путем замещения других химических элементов [9, 10]. Подвижность органоминеральных комплексов и связанных с ними микроэлементов не очень высокая и происходит в пределах гумусового слоя (горизонты А+В), не выходя за его границы [11].
Для сформированных на лессовидных суглинках почвах Ставрополя характерно накопление Cu, Zn и Pb в гумусовом горизонте (рисунок). Закрепление микроэлементов в составе органоми-неральных комплексов частично подтверждается наличием значимых положительных корреляционных связей (р<0,05) между содержанием Cu, Zn, Pb и содержанием гумуса (r = 0,88-0,91). Аналогичный тип внутрипрофильного распределения Zn и Pb установлен в почвах Ростовской агломерации [12].
Распределение микроэлементов по профилю почв юго-западного района г. Ставрополя / Distribution of microelements along the soil profile of the southwestern region of the city of Stavropol
С содержанием гумуса и его составом связана сорбционная функция гумусовых горизонтов почв крупных городов [13]. Уборка листвы может быть причиной сокращения содержания органического вещества в городских почвах [14]. В результате запечатывания, как показали исследования городских почв Ростова-на-Дону, прекращается привнос в почву свежего органического вещества, что приводит к затуханию современных процессов гумификации, отсутствию обновления гумусовых веществ, уменьшению гумусированности [15]. С.Н. Горбов указывает [16], что при разложении бурых гуминовых кислот и связанных с ними фульвокислот в запечатанных и
погребенных почвах идет как полная их минерализация, так и образование промежуточных продуктов распада. Вероятно, это приводит и к постепенному снижению количества органомине-ральных комплексов гуминовых кислот. Микроэлементы при этом могут переходить из состава органоминеральных комплексов в другие фазы-носители, прежде всего карбонаты, которые под запечатанными поверхностями мобилизуются в условиях низкой влажности почв.
Другим существенным фактором, влияющим на трансформацию микроэлементного состава городских почв, является поступление значительных объемов строительных материалов в виде пыли, песка, щебня на поверхность почв. Большей частью эти строительные материалы высоко-карбонатны, и их использование приводит к увеличению содержания карбонатов в верхних гумусовых горизонтах почв. Окарбоначивание, как известно, свойственно для большинства крупных городов [8, 12, 17, 19]. По отношению к микроэлементному составу почв окарбоначивание приводит к связыванию микроэлементов в составе труднорастворимых бикарбонатов [9]. В силу этого в гумусовом горизонте городских почв может происходить накопление микроэлементов в антропогенном карбонатном геохимическом барьере, локализованном в верхней части почвенного профиля.
Изменение гранулометрического состава городских почв, происходящее в результате поступления большого количества песка при строительстве и в качестве средства от оледенения дорог и тротуаров, установлено для многих городов России [18, 19]. Почвы, насыщенные песчаными фракциями, облегчаются по своему гранулометрическому составу вплоть до супесей в гумусовом горизонте. Илистых фракций, содержащих в адсорбированном состоянии микроэлементы, в таких почвах становится меньше. Так, исследования показали, что в почвах Ростова-на-Дону увеличение в два раза содержания физического песка в гранулометрическом составе почв придорожных зон города обусловливает снижение сорбционной емкости почв, уменьшение способности связывать в малоподвижные формы и накапливать тяжелые металлы [17].
В условиях города Ставрополя интенсивные ливневые осадки в весенне-летний период способствуют значительному вымыванию илистых частиц из верхних горизонтов почв, примыкающих к тротуарам и к проезжей части. Особенно это характерно для склоновых территорий с интенсивным стоком поверхностных вод. Выносимые илистые частицы в большом количестве оседают в днищах речных долин и балок, в качестве донных отложений городских речек. Тем самым с ливневым стоком переносятся значительные объемы микроэлементов, адсорбировавшихся на илистой фракции верхних гумусовых горизонтов почв.
Весьма весомым фактором, вносящим изменения в структуру микроэлементного состава городских почв, выступает рельеф. В случае его выположенного характера происходит преимущественно вертикальная внутрипочвенная миграция подвижных форм микроэлементов или же фаз -носителей их с труднорастворимыми и малоподвижными соединениями микроэлементов. Это приводит к вертикальному перераспределению микроэлементов в почвенном профиле, при котором осуществляется их мобилизация на внутрипочвенных геохимических барьерах. В случае наличия склонового рельефа преобладает другой тип миграции микроэлементов - с поверхностными водами, выносящими химические элементы вниз по склонам в составе илистых фракций. Внутрипочвенные геохимические барьеры по отношению к микроэлементам в этом случае менее контрастны. Склоновый характер рельефа приводит к формированию более контрастных латеральных градиентов в распределении микроэлементов на территории города. При этом в нижних частях склонов, в днищах речных долин и балок почвы содержат микроэлементы преимущественно в составе илистых фракций различного химического состава. В то же время почвы вы-положенных платообразных поверхностей территории города Ставрополя отличаются более дифференцированным составом фаз - носителей микроэлементов, который определяется преимущественно спецификой почвообразующих пород.
Установленные особенности формирования микроэлементного состава городских почв носят общий характер для аналогичных крупных городов, в которых складывается разноплановый тип антропогенного воздействия на почвенный покров. Как показали многочисленные исследования [9], в загрязненных почвах (по сравнению с естественными) происходит увеличение степени подвижности микроэлементов. Для Ставрополя также определен больший процент подвижных форм микроэлементов по сравнению с фоновыми почвами (табл. 5). На наш взгляд, это свиде-
тельствует о существенной трансформации условий миграции химических элементов в городских почвах (прежде всего, щелочно-кислотных, ионно-обменных), приводящей к образованию большего количества слабосвязанных соединений.
Таблица 5 / Table 5
Особенности распределения подвижных форм микроэлементов в почвах г. Ставрополя / Features of the distribution of mobile forms of microelements in the soils of Stavropol
Функциональная зона Среднее содержание в гумусовом горизонте, мг/кг
Cu Zn Cd Pb
Промышленная 2,37±0,20 4,34±0,4 <0,05 2,95±0,20
Селитебная многоэтажная 1,73±0,10 4,64±0,4 <0,05 3,54±0,30
Селитебная одно-, двухэтажная 2,03±0,20 2,57±0,2 <0,05 2,19±0,20
Лесопарковая 0,95±0,09 3,16±0,3 <0,05 1,34±0,10
Дачная 0,80±0,08 3,57±0,3 <0,05 1,12±0,10
Фоновая территория (музей-заповедник «Татарское городище») 0,87±0,08 2,05±0,2 <0,05 0,81±0,08
Заключение
Трансформация микроэлементного состава почв Ставрополя, подвергающихся антропогенному воздействию городского типа, имеет несколько особенностей, обусловленных спецификой как природных условий, так и потоков загрязняющих веществ. В первую очередь на распределение валовых форм микроэлементов влияет их содержание в почвообразующих породах, которые являются природным источником химических элементов для почв. Соединения микроэлементов, поступающие в почвы из почвообразующих пород, изменяются в результате почвообразовательных процессов, свойственных определенному типу почв. Во вторую очередь на распределение микроэлементов в городских условиях влияют уровень и степень антропогенной нагрузки, по-разному проявляющейся от различных источников. Наиболее значимым уровнем поступления тяжелых металлов отличается транспортная инфраструктура города, включающая в себя разнообразные виды транспорта и обеспечивающие их передвижение дороги. Воздействие других источников попадания тяжелых металлов в почвенный покров городской территории носит более регулируемый характер последние десятилетия на фоне усиления деятельности надзорных органов по контролю состояния окружающей среды города.
Запечатанность городских почв оказывает сильное воздействие на распределение техногенно обусловленных масс тяжелых металлов в городских почвах. В первую очередь запечатанность почв предохраняет их от загрязнения тяжёлыми металлами, а во вторую - она способствует поступлению более высоких концентраций загрязнителей в открытые, свободные от различного рода покрытий почвы. Запечатанность почв может влиять на деградацию системы почвенных соединений микроэлементов, связанную с органическим веществом.
Установленные особенности развития системы почвенных соединений микроэлементов на территории города Ставрополя имеют значение для понимания общей картины развития антропогенной трансформации почв в пределах крупных городов. Их изучение дает возможность осуществлять комплекс мероприятий по устранению негативного воздействия различного рода антропогенной деятельности на почвенный покров. При этом знание специфики образования системы почвенных соединений микроэлементов в городских почвах дает научное обоснование таким мероприятиям.
Список источников
1. Шальнев В.А. Эволюция ландшафтов Северного Кавказа. Ставрополь: Изд-во СГУ, 2007. 310 с.
2. Водяницкий Ю.Н. Загрязнение почв тяжелыми металлами и металлоидами и их экологическая опасность (аналитический обзор) // Почвоведение. 2013. № 7. С. 872-881.
3. Садовникова Л.К. Использование почвенных вытяжек при изучении соединений тяжелых металлов // Химия в сельском хозяйстве. 1997. № 2. С. 37-40.
4. Сает Ю.Е. [и др.]. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.
5. Limbeck A., Puls C. Particulate emissions from on-road vehicles // Urban airborne particulate matter: origin, chemistry, fate and health impacts. Ed. by F. Zereini, C.L.S. Wiseman. Heidelberg: Springer-Verlag Berlin, 2011. P. 63-79.
6. Савельева В.В. Природа города Ставрополя. Ставрополь: Ставропольсервисшкола, 2002. 192 с.
7. Почва. Город. Экология / под ред. Г.В. Добровольского. М.: Фонд «За экономическую грамотность», 1997. 320 с.
8. Касимов Н.С., Власов Д.В., Кошелева Н.Е., Никифорова Е.М. Геохимия ландшафтов Восточной Москвы. М.: АПР, 2016. 276 с.
9. Минкина Т.М., Мотузова Г.В., Назаренко О.Г. Состав соединений тяжелых металлов в почвах. Ростов н/Д.: Эверест, 2009. 208 с.
10. Путилина В.С., Галицкая И.В., Юганова Т.И. Адсорбция тяжелых металлов почвами и горными породами. Характеристики сорбента, условия, параметры и механизмы адсорбции: аналит. обзор. Новосибирск: ГПНТБ СО РАН, 2009. 155 с.
11. Ладонин Д.В., Марголина С.Е. Взаимодействие тяжелых металлов с гуминовыми кислотами // Почвоведение. 1997. № 7. С. 806-811.
12. Сальник Н.В., Горбов С.Н., Безуглова О.С. Закономерности накопления тяжелых металлов в почвах Ростовской агломерации // Проблемы трансформации естественных ландшафтов в результате антропогенной деятельности и пути их решения: сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч. экол. конф., посвященной Году науки и технологий. Краснодар, 2021. С. 448-451.
13. Symonova Iu.V. Urban soils' sorption function // Urbanization: a challenge and an opportunity for soil functions and ecosystem services: Abstract book of 9th international congress "Soils of Urban Industrial Traffic Mining and Military Areas (SUITMA 9)". Moscow, 2017. P. 59-61.
14. Водяницкий Ю.Н. Органическое вещество в городских почвах (обзор литературы) // Почвоведение. 2015. № 8. С. 921-931.
15. Горбов С.Н., Безуглова О.С. Специфика органического вещества почв Ростова-на-Дону // Почвоведение. 2014. № 8. С. 953-962.
16. Горбов С.Н. Генезис, классификация и экологическая роль городских почв европейской части Юга России (на примере Ростовской агломерации) : дис. ... д-ра биол. наук. М., 2018. 448 с.
17. Экогеохимия городских ландшафтов / под ред. Н.С. Касимова. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995. 336 с.
18. Безуглова О.С., Горбов С.Н., Сальник Н.В., Тагивердиев С.С. Гранулометрический состав и закономерности накопления тяжелых металлов в почвах Ростова-на-Дону // Фундаментальные концепции физики почв: развитие, современные приложения и перспективы: сб. науч. тр. Междунар. науч. конф., посвященной 90-летию со дня рождения А.Д. Воронина. М.: Изд. дом КДУ, 2019. С. 109-113.
19. Апарин Б. Ф., Сухачева Е.Ю., Булышева А.М., Лазарева М.А. Гумусовые горизонты почв урбоэкоси-стем // Почвоведение. 2018. № 9. С. 1071-1084.
References
1. Shalnev V.A. Evolution of the landscapes of the North Caucasus. Stavropol: SSU Press; 2007. 310 p. (In Russ.).
2. Vodyanitsky Yu.N. Pollution of soils with heavy metals and metalloids and their environmental hazard (analytical review). Pochvovedenie = Eurasian Soil Sci. 2013;(7):872-881. (In Russ.).
3. Sadovnikova L.K. The use of soil extracts in the study of compounds of heavy metals. Khimiya v sel'skom khozyaistve = Chemistry in Agriculture. 1997;(2):37-40. (In Russ.).
4. Saet Yu.E. et al. Geochemistry of the environment. Moscow: Nedra Publ.; 1990. 335 p. (In Russ.).
5. Limbeck A., Puls C. Particulate emissions from on-road vehicles. Urban airborne particulate matter: origin, chemistry, fate and health impacts. F. Zereini, C.L.S. Wiseman, eds. Heidelberg: Springer-Verlag Berlin Publ.; 2011:63-79.
6. Savelyeva V.V. Nature of the city of Stavropol. Stavropol: Stavropolservisshkola Publ.; 2002. 192 p. (In Russ.).
7. Dobrovolsky G.V., ed. Soil. City. Ecology. Moscow: Foundation for Economic Literacy Press; 1997. 320 p. (In Russ.).
8. Kasimov N.S., Vlasov D.V., Kosheleva N.E., Nikiforova E.M. Geochemistry of landscapes of Eastern Moscow. Moscow: APR Publ.; 2016. 276 p. (In Russ.).
9. Minkina T.M., Motuzova G.V., Nazarenko O.G. Composition of heavy metal compounds in soils. Rostov-on-Don: Everest Publ.; 2009. 208 p. (In Russ.).
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 1
10. Putilina V.S., Galitskaya I.V., Yuganova T.I. Adsorption of heavy metals by soils and rocks. Characteristics of the sorbent, conditions, parameters and mechanisms of adsorption: an analytical review. Novosibirsk: GPNTB SO RAN Press; 2009. 155 p. (In Russ.).
11. Ladonin D.V., Margolina S.E. Interaction of heavy metals with humic acids. Pochvovedenie = Eurasian Soil Science. 1997;(7):806-811. (In Russ.).
12. Salnik N.V., Gorbov S.N., Bezuglova O.S. Patterns of accumulation of heavy metals in the soils of the Rostov agglomeration. Problems of transformation of natural landscapes as a result of anthropogenic activity and ways to solve them. Collection of scientific papers based on the materials of the International Scientific Ecological Conference dedicated to the Year of Science and Technology. Krasnodar, 2021:448-451. (In Russ.).
13. Symonova Iu.V. Urban soils' sorption function. Urbanization: a challenge and an opportunity for soil functions and ecosystem services. Abstract book of 9th international congress Soils of Urban Industrial Traffic Mining and Military Areas (SUITMA 9). Moscow, 2017:59-61.
14. Vodyanitsky Yu.N. Organic matter in urban soils (literature review). Pochvovedenie = Eurasian Soil Sci. 2015;(8):921-931. (In Russ.).
15. Gorbov S.N., Bezuglova O.S. Specificity of organic matter in the soils of Rostov-on-Don. Pochvovedenie = Eurasian Soil Sci. 2014;(8):953-962. (In Russ.).
16. Gorbov S.N. Genesis, classification and ecological role of urban soils in the European part of the South of Russia (on the example of the Rostov agglomeration). Dissertation. Moscow, 2018. 448 p. (In Russ.).
17. Kasimov N.S., ed. Ecogeochemistry of urban landscape. Moscow: Moscow State University Press; 1995. 336 p. (In Russ.).
18. Bezuglova O.S., Gorbov S.N., Salnik N.V., Tagiverdiev S.S. Granulometric composition and patterns of accumulation of heavy metals in the soils of Rostov-on-Don. Fundamental concepts of soil physics: development, modern applications and prospects. Collection of scientific papers of the International Scientific Conference dedicated to the 90th anniversary of the birth of A.D. Voronin. Moscow: KDU Publ.; 2019:109-113. (In Russ.).
19. Aparin B.F., Sukhacheva E.Yu., Bulysheva A.M., Lazareva M.A. Humus horizons in soils of urban ecosystems. Pochvovedenie = Eurasian Soil Sci. 2018;(9):1071-1084. (In Russ.).
Информация об авторе
Т.В. Дегтярева - кандидат географических наук, доцент кафедры физической географии и кадастров. Information about the author
T.V. Degtyareva - Candidate of Science (Geography), Associate Professor of the Department of Physical Geography and Cadastre.
Статья поступила в редакцию 26.08.2022; одобрена после рецензирования 05.09.2022; принята к публикации 02.03.2023. The article was submitted 26.08.2022; approved after reviewing 05.09.2022; accepted for publication 02.03.2023.
