Кислотность почв как показатель экологического состояния городской территории (на примере г. Биробиджана)

УДК502.5

КИСЛОТНОСТЬ ПОЧВ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГОРОДСКОЙ ТЕРРИТОРИИ

P.M. Коган, В.Б. Калманова Институт комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН, г. Биробиджан

Исследована возможность использования изменения кислотности почв в качестве показателя экологического состояния городской среды с учетом воздействия различных источников загрязнения и трансформации почвенного покрова в различных функциональных зонах города.

Экологические проблемы городов приобретают все возрастающее значение в связи с ростом урбанизации, который сопровождается сосредоточением промышленных комплексов и автомобильного транспорта на сравнительно небольших территориях. Мониторинг объектов окружающей среды в них проводят по общим и специфическим загрязнителям. К первым из них относятся кислотность (почвы, вода, твердые атмосферные осадки), оксиды серы, азота и углерода, легкие углеводороды, твердые частицы (приземные слои атмосферы), химическое и биохимическое потребление кислорода, жесткость, общая минерализация (вода); набор вторых зависит от особенностей техногенной нагрузки [4, 8].

Содержание загрязнителей в природных компонентах определяется тремя основными факторами: непосредственным их поступлением и возможными химическими превращениями, а также межфазовым переносом. Это приводит к перераспределению поллютантов, к накоплению их в объектах с наибольшей аккумулирующей способностью, что в последующем может вызвать изменение таких свойств, как кислотности почв и нарушение миграции других поллютантов, например тяжелых металлов [4].

Кислотность почв зависит от количества «кислых» осадков, произрастающей на ней древесной растительности, кроны которой частично задерживают и утилизируют кислоты, количества и состава перегнивающего опада, а также от адсорбционных свойств почвенного покрова, которые определяются степенью его антропогенной трансформации. Например, выделяющийся в воздушную среду оксид серы (IV) (802) в зависимости продолжительности и силы солнечной инсоляции может превращаться в оксид серы (VI) (803), который является сильным коррозионным агентом, разрушающим минеральные породы (особенно содержащие кальций), а при

наличии осадков (чаще всего моросящих) - в серную кислоту (Н^О,). Другим источником «кислых» осадков служат оксиды азота (Ы\0у). которые реагируют с парами воды (наиболее интенсивно во влажном климате) с образованием мельчайших капель азотной кислоты (НЫО,). Некислотный оксид углерода (II) в атмосфере может окисляться в кислотообразующий оксид углерода (IV) и в формальдегид(НСОН) - источник муравьиной кислоты [9]. Оксиды могут также непосредственно поступать в почвы вследствие газообмена, осаждения моросящим дождем или медленно падающим снегом. Соединяясь с почвенным раствором, они превращаются в кислоты и подкисляют почвы [8]. Строительный мусор, известкование, соли тяжелых металлов и выбросы промышленных предприятий могут изменять реакцию почвы в щелочную сторону.

Изучению возможности использования кислотности (pH) дерново-гумусового горизонта почв в качестве показателя экологического состояния городской среды посвящено незначительное количество работ, авторами которых сделаны противоречивые выводы [2, 8].

Известно, что большинство средних и малых городов Российского Дальнего Востока относится к так называемому «топливно-транспортному типу», основными источниками загрязнения которых являются теплоэнергетические предприятия и автомобильный транспорт, использующие в своем производственном цикле органическое топливо различного происхождения и выбрасывающие в атмосферу оксиды серы, азота, углерода и соли тяжелых металлов [3].

В атмосферу города поступает значительное количество загрязнителей от стационарных источников; среди жидких и газообразных веществ основными являются оксиды (табл. 1).

Таблица 1

Количество загрязнителей, отходящих от стационарных источников загрязнения на территории г. Биробиджана [5]

Количество загрязнителей, тонн Год

2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Г азообразные и жидкие вещества 3697 3414 4440 5528 5346 5237 4946

Оксид серы(1У) 1993 1748 1933 2281 2283 2274 1921

Оксид углерода (II) 959 1028 1533 2336 2155 2055 2140

Оксиды азота 658 552 883 802 796 800 779

—О— Общее кол-во автомобилей X Грузовые автомобили

— -А— - Легковые - - - - Автобусы

Рис. 1. Изменение количества транспортных средств на территории г. Биробиджана

Постоянно увеличивающийся парк передвижных источников, в основном за счет легковых автомобилей, приводит к значительному увеличению количества окислов в нижних слоях атмосферы, среди которых преобладают оксиды углерода(П) (рис. 1, 2).

Целью работы является исследование возможности использования изменения кислотности почв под воздействием различных источников загрязнения и трансформации почвенного покрова в различных функциональных зонах города для последующей оценки его экологического состояния на примере территории г. Биробиджана (Еврейская автономная область).

Отбор образцов производился с верхнего почвенного горизонта (0-10 см) методом конверта в течение 4 лет (2003-2006 гг.) на 60 пробных площадках размером 10x10 м, заложенных в различных функциональных зонах со сгущением их вдоль автомагистралей и промышленных объектов (рис. 3).

В качестве показателя кислотности использована pH наиболее доступной растениям водной вытяжки. Ее величина зависит от присутствия свободных диссоциированных кислот почвенного раствора, например, угольной, масляной, щавелевой, лимонной, фульвокислот и др., образовавшихся как в результате перегнивания растительных остатков и корневых выделений растений, так и вследствие воздушной и водной эмиссии.

Принята следующая классификация почв: сильнокислые (рН=3-4), кислые (рН=4-5,5), слабокислые (рН=5,5-

6.5), нейтральные (pH =6,5-7,0), слабощелочные (рН=7,0-

7.5), щелочные (рН=7,5-8,5), сильнощелочные [1].

Исследована антропогенная преобразованность почв,

проведена их классификация в соответствии с работой

о 60

* 5 1 £ 2 о 40

20- I

2001 2002 2003 2004 2005 2006

Оксиды углерода

Рис. 2. Поступление оксидов в атмосферу г. Биробиджана в течение суток от передвижных источников

[7] и показано распространение по основным функциональным зонам:

1. Естественно антропогенно-преобразованные почвы, подвергшиеся изменениям на глубину до 50 см и сохранившие ненарушенную верхнюю часть профиля (урбопочвы). Нижние части их профилей соответствуют типу дерново-подзолистых (на водораздельных участках) или аллювиальных (в поймах рр. Бира, Икура, Щукинка) почв. Расположены в основном в рекреационных, сельскохозяйственных зонах города.

2. Антропогенные глубоко преобразованные почво-грунты, наиболее распространенные на территории города, сформированы за счет урбанизации на культурном слое или на насыпанных, намывных и перемешанных грунтах (урбаноземы). Глубина преобразования профиля превышает 50 см. Подразделяются на 2 подтипа: физически преобразованные, в которых произошла физико-механическая перестройка почв, и химически преобразованные, в которых значительные хемогенные изменения свойств и строения профиля являются следствием интенсивного химического загрязнения. Почвы первого подтипа: собственно урбаноземы, культуроземы, некроземы - занимают селитебные участки, пустыри, заросшие свалки; почвы второго подтипа: индустризе-мы, интруземы - распространены в районах промышленных предприятий, вблизи крупных автомобильных и железных дорог.

3. Искусственно созданные поверхностно - гумуси-рованные почвоподобные образования, отличающиеся малым возрастом (техноземы). Различают типы: конст-руктоземы, реплантоземы, которые занимают зоны промышленных и транспортно-селитебных зон.

Кроме того, 10-15 % площади Биробиджана занято естественно-ненарушенными почвами. Они сохранились небольшими участками в рекреационных зонах, например в парке культуры и отдыха, санитарно-защитных (район ТЭЦ, ул. Набережной, чулочно-трикотажной фабрики) зонах, а также на открытых, не занятых под застройку зеленых территориях (в основном это окрестности города) и представлены классическим буроземом на равнинно-суглинистых и песчано-гравийных отложениях, бурыми лесными (на мелкосопочниках), а также дер-ново-аллювиальными, пойменно-аллювиальными луговыми и лушво-болотными - на отдельных участках вдоль р. Бира.

Условные обозначения:

граница городских земель

промышленные полигоны

населенные пункты пцооные площадки

Рис. 3. Расположение пробных площадок на территории г. Биробиджана

В зависимости от степени преобразованное™ почв показатели кислотности значительно меняются: от 4 до 8,5 единиц pH (табл. 2). Слабокислая реакция среды, характерная для бурых лесных почв юга Российского Дальнего Востока, наблюдается только на естественноненарушенных почвах фоновой территории. Сдвиг pH в кислую область происходит на вторично задернованном остаточном лесном буроземе на участках рекреационной зоны, расположенных в рельефных понижениях со

значительным травянистым покрытием, т.е. в условиях, благоприятных для перегнивания растительного опада.

В остальных функциональных зонах наблюдается вызванное разными причинами значительное изменение природной кислотности от нейтральной до сильно щелочной на техногенно- и хемогенно измененных и искусственно созданных почвах, которые занимают 65 % от общей площади города. Наибольшая трансформация отмечена на индустриземах (вблизи городских свалок.

Таблица 2

Кислотность почв в различных функциональных зонах города

Кислотность почв pH Тип почв Функциональные зоны города Районы города

Сильно- щелочные Более 8,5 индустриземы промышленная городская и несанкционированные свалки

Щелочные 7,5-8,5 урбаноземы, культуроземы, техноземы, интруземы промышленная, сельскохозяйственная, транспортно-селитебная районы ТЭЦ, золоотвалы, действующие и заброшенные теплицы

Слабо- щелочные 7,0-7,5 урбаноземы, техноземы, слабодерновые на насыпном аллювии промышленная, транспортно-селитебная, рекреационная район ДСМ, скв. Скорой помощи, парк КиО, район Безымянки

Нейтральные 6,5-7,0 урбаноземы, бурая лесная, дерново-аллювиальная, дерново-подзолистые рекреационная, транспортно-селитебная район Набережной, п. Лукашова, скв. Стадиона «Дружба»

Слабокислые 5,5-6,5 бурая лесная, глееватая на аллювиальных отложениях; дерново-аллювиальная фон индустриальный район, медгородок

Кислые 4-5,5 дерново-аллювиальные (вторично слабодерновая) рекреационная сквер на ул. Парковой и зеленая зона в районе нового моста

подвергающихся непосредственной физико-химической переработке).

Щелочной сдвиг реакции почв промышленных и селитебных территорий, вероятно, связан с захламлением строительным и бытовым мусором, содержащим карбонаты кальция и магния; транспортных зон - с солями и оксидами тяжелых металлов, переносимых с пылью; сельскохозяйственных участков - с известкованием. Например, растворение оксидов тяжелых металлов сопровождается поглощением ионов водорода из почвенных растворов, что должно привести к смещению pH в щелочную область [6].

Кроме того, изменение pH может привести к вторичным процессам: изменению миграционной способности тяжелых металлов (например, аккумуляции соединений тяжелых металлов, поступающих с техногенными потоками, в нейтральных и слабокислых средах) и накоплению малорастворимых гидроксидов, образующихся при гидролизе солей, которое может превалировать над увеличением кислотности при непосредственном поступлении загрязнителей из атмосферы или в процессе разложения растительных остатков.

Таким образом, проведенные исследования показали, что кислотность почвенного раствора зависит от типов почв, степени их преобразованное™, расположения в различных функциональных зонах города, особенностей техногенной миграции поллюгантов, и, следовательно, значения pH может быть использовано в качестве одного из критериев оценки качества урбанизированной территории.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта ДВО РАН 06-Ш-А-09-390

ЛИТЕРАТУРА:

1. Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения. М.: Наука, 1989. С. 79-80.

2. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем // Р. Шуберта. М.: Мир, 1988. 344 с.

3. Коган P.M. Особенности источников экологической напряженности на территории ЕАО // Дальний Восток и Еврейская автономная область: история, современность и перспективы развития. Мат-лы между-нар. науч.-практ. конф. Биробиджан 11-13 июля 2004 г. Биробиджан: ДВГСГА. 2004. Ч. 1. С. 100-101.

4. КрайнюкЕ.М., Буц Ю.В. Моделирование миграционной способности тяжелых металлов при чрезвычайных ситуациях техногенного характера // Вестник Российской военно-медицинской академии. 2008. № 3. Прил. 2. Ч. 1. С. 90-91.

5. Паспорт г. Биробиджана. Биробиджан: ЦИСУ Евр-стат, 2007. 50 с.

6. Плеханов И.О. Содержание тяжелых металлов парков Москвы//Почвоведение. 2000. № 6. С. 754-759.

7. Строганова М.Н., Агаркова М.Г. Экологическое состояние почвенного покрова урбанизированных территорий // Экологические исследования в Москве и Московской области. М.: Наука, 1990. С. 127-147.

8. Федорова А.И., Шунелько Е.В. Кислотность почв под зелеными насаждениями г. Воронежа как индикаторный признак состояния городской экосистемы // Вестник Воронежского университета. География и геоэкология. 2000. № 4. С. 77-83.

9. Penenko V. V. New variational technique for direct and inverse problems of atmocpheric chemistry // Enviromix 2008. Междунар. конф. по измерениям, моделированию информационных систем для изучения окружающей среды. Томск, 28 июня - 5 июля. Томск: Томское ЦНТИ, 2008. 49 с.

The opportunity of use of change in soil acidity is investigated as a parameter of ecological situation in the city environment with account of influence of various pollutants and transformation of soil cover in various functional zones of the city.