Эколого-геохимическая оценка состояния запечатанных почв Восточной Москвы

Полный текст

Введение К запечатанным почвам - экраноземам относятся городские почвы, закрытые дорожными покрытиями (асфальтом, асфальтобетоном), зданиями и сооружениями. Они представляют собой особую форму проявления технопедогенеза [1] и объединяют антропогенно-трансформированные и искусственно созданные почвы, развитые на культурном слое, насыпных, переотложенных и перемещенных грунтах [2]. По определению FAO [3], к запечатанным относятся почвы с пониженной проницаемостью вследствие поверхностного экранирования или уплотнения, произошедшего под воздействием природных и антропогенных процессов. Наиболее очевидным следствием запечатывания является создание экрана между атмосферой и поверхностью почв, которое ограничивает их дальнейшее развитие. Отмечается повышенное уплотнение экраноземов по сравнению с открытыми почвами, которое связано с высокими техногенными вибрационными нагрузками. Небольшая проницаемость дорожных покрытий со временем увеличивается - проектный срок их износа в городах гумидной зоны составляет 10 лет [4], при этом слой покрытия ежегодно уменьшается на 4-5 см, образуя около 160-200 т/га продуктов его разрушения [5]. Как правило, запечатанность уменьшает эвапотранспирацию, увеличивает поверхностный дождевой сток и сильно изменяет тепловой баланс почв: чем больше плотность застройки, тем выше температура закрытой асфальтом поверхности. В жаркие летние дни разность температур между открытыми и запечатанными почвами достигает нескольких градусов, а дефицит относительной влажности воздуха составляет 10-20% [6]. Ослабление газового обмена ведет к недостатку кислорода и избытку углекислого газа под асфальтом, где могут наблюдаться экстремально низкие значения окислительно-восстановительного потенциала, которые определяются по более темной окраске почв [7]. В России городские почвы, как правило, обследовались только на открытых (незаасфальтированных) участках, а полученные данные распространялись на всю территорию, исходя из предположения, что их свойства идентичны. За рубежом вопросы морфологии, физико-химических свойств, эволюции и классификации запечатанных почв (sealed soils) изучаются вместе с открытыми почвами как единое целое [8]. Первые сведения о запечатанных почвах Москвы, включая их физико-химические, микробиологические свойства и загрязнение тяжелыми металлами были получены в Юго-Восточном округе [9]. Установлено, что под искусственным экраном почва продолжает функционировать и не становится абиотичной, ее влажность и температура достаточны для произрастания растений [10]. Экраноземы имеют низкую биологическую активность и особый состав микроорганизмов, доминирующие позиции в их микробном пуле занимает азотфиксатор Azotobacter chroococum, определяющий слабую активность цикла азота и низкую интенсивность процессов нитрификации и денитрификации. В почвах преобладают психротрофные микроорганизмы, развивающиеся в условиях низких температур (t < 6,5 °С), при существенном подавлении споровых бактерий [11]. Современный этап изучения городских почв немыслим без оценки экраноземов как важной и неотъемлемой составляющей почвенного покрова в урбанизированных экосистемах. С разработкой систематики почв и почвообразующих пород в г. Москве экраноземы выделены в особую группу и включены в общую классификацию [12]. Несмотря на доминирующее положение запечатанных почв в почвенном покрове Москвы и в других крупных городов мира [13], их свойства, особенности функционирования и уровень загрязнения остаются недостаточно изученными. Мало сведений об интенсивности вертикальной и латеральной миграции загрязняющих веществ (R-, L-анализ) в разных функциональных зонах города, накоплении поллютантов в профиле экраноземов на геохимических барьерах (ГХБ), не картографировались аномалии органических и неорганических загрязнителей. Цель данной статьи - изучить морфологические, физико-химические и химические свойства экраноземов Восточной Москвы в зонах различного функционального назначения, оценить их эколого-геохимическое состояние и уровень содержания легкорастворимых солей (ЛС) и приоритетных органических загрязнителей - нефтепродуктов (НП) и бенз(а)пирена (БП) по сравнению с фоновыми и открытыми (незапечатанными) почвами. В основу статьи положены результаты почвенно-геохимической съемки экраноземов в сентябре 2016 г. и полученные ранее аналитические данные с открытой (незапечатанной) территории в южной части Восточного административного округа (ВАО) [14]. Для достижения цели решались следующие задачи: · зонирование и составление карты запечатанности почвенного покрова ВАО; · изучались основные физико-химические свойства (актуальную кислотность рНв, содержание Сорг, гранулометрический состав, степень засоления противогололедными реагентами (ПГР)) и морфологическое строение типичных профилей экраноземов в разных функциональных зонах; · устанавливались вертикальное (по профилю) и латеральное (в катене) распределение свойств, содержания НП и БП в экраноземах, оценивалась степень их экологической опасности и составлялись карты загрязнения на территории округа. Источники загрязнения Основным источником загрязняющих веществ в атмосфере ВАО Москвы служит автотранспорт, вклад которого составляет 92-95%, поставляющий поллютанты при работе двигателей, истирании шин, деталей и тормозных колодок автомобилей, абразии дорожного покрытия [14]. В округе также действуют свыше 50 промышленных предприятий, мусоросжигательный завод в Руднево и две крупные ТЭЦ (рис. 1), которые образуют несколько промышленных зон. Несмотря на спад промышленного производства в конце ХХ в. [15], загрязняющее воздействие промзон нашло отражение в современном эколого-геохимическом состоянии почв ВАО [16]. Их выбросы, стоки и отходы по мере образования трещин и разрушения слоя асфальтобетона вместе с атмосферными осадками и поверхностным стоком поступают в верхние горизонты экраноземов. Рис. 1. Карта функционального зонирования территории, основных промышленных предприятий и точек отбора почв в южной части ВАО Москвы. Система координат UTM. Функциональные зоны: Р - рекреационная; В, С, Н - жилая застройка повышенной, средней и низкой этажности соответственно; ПА - постагрогенная. 483 Муниципальные районы: I - Соколиная гора, II - Перово, III - Ивановское, IV - Новогиреево, V - Вешняки, VI - Новокосино, VII - Косино-Ухтомский Fig. 1. Map of the land-use zoning of the territory, the main industrial enterprises and soil sampling points in the southern part of the EAD of Moscow. UTM coordinate system. Land-use zones: Р - recreational; B, C, H - residential development of high-, midand low-rise, respectively; ПА - postagrogenic. Municipal areas: I - Sokolinaya gora, II - Perovo, III - Ivanovskoe, IV - Novogireevo, V - Veshnyaki, VI - Novokosino, VII - Kosino-Ukhtomsky Приоритетными загрязнителями городских почв ВАО являются ЛС, входящие в состав ПГР, НП и их производные и наиболее опасный канцероген БП из группы полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) [17]. Высокое содержание ЛС в незапечатанных почвах ВАО Москвы вызвано повышенным многолетним использованием ПГР для борьбы с гололедом. Содержание суммы солей в ПГР достигает 3260 смоль(экв)/кг, среди анионов доминируют хлориды, среди катионов - ионы натрия [18]. Применяемые в округе реагенты хлоридной группы практически полностью состоят из солей NaCl, ионы других солей содержатся в очень небольших количествах, преобладают сульфаты кальция [19; 20]. Противогололедные электролиты вместе с вносимыми минеральными удобрениями (норма 150-200 г/м2 за прием) формируют высокий уровень загрязнения ЛС в незапечатанных почвах города, угнетающие почвенную биоту и рост зеленых насаждений [21]. НП представляют собой техногенные углеродистые вещества, которые появляются в природной среде в результате переработки нефти. Существующие сотни и тысячи марок НП подразделяют на группы: газообразные и жидкие топлива, смазочные материалы, парафины и церезины, битумы, технический углерод (сажа), нефтяной кокс и нефтяные пеки [22]. Продукты первичной переработки нефти состоят из фракций: бензиновой, лигроиновой (тяжелая нафта), керосиновой, дизельной и мазута, а после вакуумной перегонки нефти образуются легкие масла (трансформаторное масло), вакуумный газойль, средние, тяжелые масла и гудрон (вакуумный остаток). При вторичных процессах переработки нефти к НП добавляются новые токсичные соединения, которые в природе встречаются редко: непредельные углеводороды, ПАУ и их производные. Наибольшая опасность для здоровья человека возникает при вдыхании углеводородных растворителей, которые подавляют окислительно-восстановительные процессы, вызывают нарушение тканевого дыхания, угнетают сердечную деятельность, снижают функции печени, пищеварения, щитовидной железы и некоторых других органов. При загрязнении почв органическими соединениями высокую опасность представляет бенз(а)пирен (БП) - высокомолекулярный полициклический ароматический углеводород, оказывающий канцерогенное, мутагенное и нейротоксическое воздействие на животных и человека [23; 24]. Источниками БП являются выбросы промышленных производств, отопительных и транспортных систем, продукты сжигания бытового мусора и разных видов топлива [25; 26]. Из загрязненного воздуха БП поступает в снег или почвы с пылью, аэрозолями, осадками, аккумулируясь в их поверхностном слое [27-31]. БП часто рассматривается как показатель общей канцерогенной активности всей группы ПАУ в окружающей среде [32]. Методы и материалы Исследовалась южная часть ВАО Москвы в пределах семи муниципальных районов: Соколиная гора, Перово, Ивановское, Новогиреево, Вешняки, Новокосино и Косино-Ухтомский (см. рис. 1). Территория относится к южно-таежным ландшафтам Подмосковной Мещеры и представляет собой плоскую зандровую равнину междуречья Москвы и Клязьмы с абсолютными высотами 150-160 м, сложенную водно-ледниковыми и древнеаллювиальными отложениями [33]. Эколого-геохимические исследования экраноземов проводились на основе функционального зонирования территории ВАО [34]. Карта зонирования, составленная на основе космических снимков сверхвысокого разрешения (2,4 м Quick Bird), включает пять зон: промышленная с нежилой застройкой, транспортная, селитебная (разной этажности), рекреационная и постагрогенная (см. рис. 1). При полевом изучении экраноземов использовались различные вскрышные ямы и канавы, заложенные городскими службами. Опробовалась верхняя часть профиля почв мощностью в среднем до 70 см, находящаяся под слоем асфальта и нижележащей дорожной «песчано-гравийной подушкой». В глубоких (до 2 м) разрезах отбор проб проводился по всему профилю почв, включая почвообразующую породу. Всего из 4 полнопрофильных и 35 неглубоких разрезов собраны 63 пробы экраноземов (см. рис. 1). Для сравнения привлечены данные по 52 поверхностным пробам почв с открытых (незаасфальтированных) участков и 10 фоновым пробам из ненарушенных ландшафтов Подмосковной Мещеры, в 50 км к востоку от города [17]. Физико-химические и химические свойства экраноземов, открытых городских и фоновых почв анализировались в Эколого-геохимическом центре географического факультета МГУ общепринятыми методами [35]: актуальная кислотность (рН) - в водной суспензии на стационарном приборе «Эксперт-рН», содержание Сорг - методом Тюрина с титриметрическим окончанием, гранулометрический состав - на лазерном микроанализаторе “Analyzette 22 comfort” (Германия), растворимые вещества-электролиты - по удельной электропроводности водной вытяжки (ТDS) на кондуктометре “SevenEasy S30” (Mettler Toledo). Содержание НП и БП в почвах определено методами люминесцентно-битумологического анализа и низкотемпературной спектрофлуориметрии в лаборатории углеродистых веществ биосферы географического факультета МГУ (аналитик Н.И. Хлынина). Обработка почвенно-геохимических данных включала расчет коэффициентов накопления относительно фона: Kс = С/Сф, где С и Сф - концентрации в городских и фоновых почвах. Статистический анализ данных проводился в программном пакете STATISTICA 8, картографирование экраноземов, загрязненных НП и БП, выполнено в пакете ArcGIS 10 с помощью градуированных символов. Катенарное распределение БП и НП в поверхностных горизонтах экраноземов оценивалось с помощью коэффициента латеральной дифференциации L, определяемого как отношение содержания поллютанта в экраноземах рассматриваемого ландшафта к автономному. Методика составления карты запечатанности почв масштаба 1:50 000 включала автоматизированное дешифрирование космического многозонального снимка QuickBird с определением соотношения площадей открытых и заасфальтированных (застроенных) участков. В качестве единицы картографирования исполь- зовались функциональные зоны, в каждой из которых выделялись три степени запечатанности городских почв: низкая, средняя, высокая. При значительном варьировании этого показателя границы каждой из степеней были индивидуальными для каждой функциональной зоны. С помощью операции зональной статистики в пакете ArcGIS подготовленный космический снимок с набором классов: водные объекты, растительность, антропогенные объекты (асфальтовые покрытия, здания и др.) был отнесен к полигонам слоя основной карты функциональных зон и для отдельных выделов получено количество пикселов того или иного класса внутри него. Путем суммирования этих значений было найдено их общее количество для всех выделов. Процент запечатанности почв вычислялся как доля площади под антропогенными объектами к общей площади зоны. Результаты и их обсуждение Запечатанность почвенного покрова ВАО. На первом этапе изучения экраноземов в результате дешифрирования космических снимков была составлена карта запечатанности почвенного покрова в южной части ВАО Москвы (рис. 2), которая показывает распространенность экраноземов в различных функциональных зонах округа. Цвет выдела на карте соответствует функциональной зоне, а насыщенность цвета - степени запечатанности почв по принципу, чем темнее, тем более запечатана территория. Рис. 2. Запечатанность почвенного покрова в различных функциональных зонах южной части ВАО Москвы, масштаб 1:50000 Fig. 2. Sealing degree of soil cover in various land-use zones of the southern part of the EAD in Moscow, scale 1:50000 Наибольшая степень запечатанности (>70%) характерна для почв промышленной и транспортной зон, наименьшая (<10%) - для рекреационной зоны. Высокой степенью запечатанности отличаются почвы в основном старых районов округа, это территории промышленных и жилых зон Перово с плотной застройкой смешанной и периметральной структуры. Повышенная степень запечатанности почв характерна для районов нового многоэтажного строительства Новокосино и Косино-Ухтомского района, низкая степень - для жилых кварталов с высокой и средней степенью озеленения в районах Вешняки, Ивановское и Новогиреево. Карта запечатанности почв ВАО г. Москвы имеет много общих черт с распространением экраноземов в ЮВАО [10]. Наибольшие площади закрытых поверхностей в ЮВАО так же приходятся на промышленную зону, где запечатанность может достигать 90%, почвы природного комплекса и агрозоны закрыты на 20%, жилой застройки - на 20-75%. Основные черты строения профиля экраноземов. Запечатанными дорожными покрытиями могут оказаться все типы почв, распространенные на территории округа. Строение их профиля очень специфично и вместе с тем многообразно. В наиболее трансформированных типах экраноземов, развитых в промышленной или транспортной зонах, может полностью отсутствовать система природных генетических горизонтов и доминировать техногенные слои. В других зонах в профиле экраноземов обычно наблюдается сочетание различных по окраске и мощности слоев и прослоек искусственного генезиса с резким переходом и довольно ровной границей. При укладке асфальта покрытия часто срезается или добавляется верхняя часть профиля, а другие генетические горизонты настолько сильно видоизменяются, что их морфогенетическое изучение становится чрезвычайно затруднительным. По этой причине к таким почвам сложно применять традиционный профильно-генетический подход, поэтому их морфологический анализ и диагностика проводились путем сравнения с так называемой «матрицей почвенного тела», т.е. со структурным каркасом природной почвы, определяемым системой ее субстантивно-организованных свойств и признаков [36]. Этот метод успешно применялся для диагностики различных типов техногенно-трансформированных и преобразованных почв в районах нефтедобычи [37]. Строение профиля экраноземов на территории ВАО наряду с морфогенетическим анализом определялось на основе выделения диагностических горизонтов, а название почв напрямую связывалось с наличием, мощностью и их сочетанием в профиле. В диагностических горизонтах учитывались не только морфологические признаки, но и химические и физико-химические свойства. Строение профиля экраноземов, развитых на культурных наносах и распространенных в различных функциональных зонах ВАО Москвы имеет типичный профиль со следующими горизонтами и антропогенными слоями (рис. 3): · асфальтобетон (Асф), как основное покрытие экраноземов, является искусственным строительным материалом, полученным в результате уплотнения асфальтовой смеси, песка, минерального порошка и битума [4]. Асфальтобетонная смесь обычно состоит из оптимально подобранных минеральных материалов (щебня, гравия и песка) с добавлением тонкодисперсного минерального порошка (или без него) и органического вяжущего материала - битума, которые перемешиваются в нагретом состоянии и применяются для строительства автомобильных дорог, тротуаров и различных городских покрытий. Слой Асф обычно подстилается песчано-гравийной подушкой (ПГ) разной мощности; · широко распространенный горизонт урбик UR характеризуется бурой или буровато-коричневой неравномерной окраской, преимущественно легким гранулометрическим составом, структурные отдельности имеют горизонтальную делимость, местами ярко выраженную плитчатость, он непрочный, пылеватый, плотный, в верхней (подасфальтовой) части более увлажненный, содержит много углистых частиц, отдельные железистые новообразования, реагирует с кислотой HCl. Антропогенные включения (более 10%) представлены строительным и бытовым мусором (обломки кирпичей, асфальта, арматуры, керамики, битое стекло, обрывки целлофана и отдельные части бытовых предметов и др.); · горизонт AYur имеет однородную серо-бурую или буровато-темносерую окраску, преимущественно комковатый или зернисто-комковатый, часто с горизонтальной делимостью в крупных агрегатах, суглинистого гранулометрического состава, с большим количеством углефицированных частиц, образующих сложный пятнистый рисунок, уплотненный, свежий или влажный (если залегает сразу под асфальтом), встречаются рыхлые Fe-Mn охристые образования, содержит антропогенные включения (менее 10%), слабо реагирует с кислотой НСl; · горизонт TCН - техногенно-перемешанный, неоднородный бесструктурный материал различного цвета без видимых признаков почвообразования и природного залегания, часто затронут процессами оглеения, характеризуется высокой плотностью и влажностью, содержит многочисленные антропогенные включения (более 20%), редко вскипает от кислоты НСl; Рис. 3. Морфологические профили экраноземов в различных функциональных зонах ВАО Москвы: 1 - экранозем по урбанозему (Косино-Ухтомский район, пос. Ухтомский, селитебная зона низкой этажности); 2 - экранозем по индустризему (район Перово, улица Плеханова, промышленная зона); 3 - экранозем по реплантозему (район Вешняки, улица Вешняковская, транспортная зона); 4 - экранозем по урбо-подзолистой почве (район Новокосино, Триозерье, рекреационная зона). Диагностические горизонты и антропогенные слои: Асф - асфальт; ПГ - песчано-гравийная подушка; UR, URh - урбик, гумусово-аккумулятивный; AYur - гумусовый с признаками урбопедогенеза; ТСН - техногенный перемешанный грунт; RAT - техногенный рекультивационный с включением органических остатков; RT - органический рекультивационный (торфосодержащая смесь); ElBur - элювиально-иллювиальный горизонт с признаками урбогенеза; В - иллювиальный горизонт [Fig. 3. Morphological profiles of ekranozems in various land-use zones of the EAD in Moscow: 1 - ekranozem on urbanozem (Kosino-Ukhtomsky area, Ukhtomsky village, low-rise residential sector); 2 - ekranozem on industrizem (Perovo area, Plekhanova street, industrial zone); 3 - ekranozem on replantozem (Veshnyaki area, Veshnyakovskaya street, traffic zone); 4 - ekranozem on urbo-podzolic soil (Novokosino area, Triozerje, recreational zone). Diagnostic horizons and anthropogenic layers: Асф - asphalt; ПГ - sand and gravel cushion; UR, URh - urbic, humus-accumulative; AYur - humus with signs of urbopedogenesis; ТСН - technogenic mixed ground; RAT - technogenic recultivated with the inclusion of organic residues; RT - organic recultivated (peat mixture); ElBur - eluvial-illuvial horizon with signs of urbogenesis; B - illuvial horizon] · горизонт RAT - основной поверхностный рекультивант городских почв и грунтов, имеет темно-серую или темно-коричневую окраску и комковатую структуру, суглинистый гранулометрический состав, обычно включает растительные остатки разной степени разложения, фрагменты торфа и минеральные компоненты, свойства которых регламентируются Постановлением Правительства Москвы № 514-ПП «О повышении качества почвогрунтов в городе Москве». Такая смесь регулярно добавляется в верхний горизонт городских почв, поэтому горизонт постоянно обновляется и после запечатывания асфальтом может иметь различный цвет, повышенную влажность и плотность, как правило, не содержит твердых антропогенных включений и характеризуется слабым вскипанием от кислоты НСl; · горизонт RT также состоит из торфосодержащих компонентов, отличается от органического горизонта RAT большим (более 30%) содержанием слабо минерализованного органического вещества, обычно без антропогенных включений, рыхлый, свежий, не вскипает от HCl. Физико-химические и химические свойства экраноземов. По своим свойствам запечатанные почвы довольно сильно отличаются от почв ненарушенных фоновых ландшафтов (табл. 1). Верхние горизонты экраноземов характеризуются низким содержанием органического вещества, слабощелочным рН, легкои среднесуглинистым гранулометрическим составом. Судя по средним значениям удельной электропроводности TDS, почвы не засолены, несмотря на ежегодное применение ПГР и внесение удобрений в соседствующие с ними открытые почвы. Средняя удельная электропроводность, характеризующая содержание солей, равна 0,195 мСм/см, что в 15 раз ниже допустимого уровня 3,0 мСм/см [38]. Наиболее высокое содержание Сорг имеют экраноземы рекреационной зоны, а щелочной рН - селитебной и промышленной зон. Существенной разницы в гранулометрическом составе между зонами не обнаружено, они везде преимущественно легкосуглинистые, а фоновые почвы супесчаные. По сравнению с почвами открытых участков экраноземы в среднем имеют в 1,5 раза более низкое содержание Сорг, более легкий гранулометрический состав, обладают близкой к незапечатанным почвам реакцией среды (рН = 8,0) и не накапливают солей в верхних горизонтах профиля. Таблица 1 Физико-химические и химические свойства верхних горизонтов фоновых почв, экраноземов и незапечатанных почв в ВАО Москвы Показатель Глубина, см Сорг, % рНв TDS, мСм/см Физическая глина, % БП, мг/кг НП, мг/кг Фоновые дерново-подзолистые почвы Мещеры (n* = 10) Среднее 0-25 0,73 4,9 0,03* 12,0 0,0034 0,00 Промышленная зона ВАО (n = 6) Среднее 1,68 8,11 0,173 22,7 0,449 2608 min-max 3-55 0,24-3,23 7,55-8,73 0,093-0,334 9,4-36,6 0,114-1,68 225-10000 Транспортная (n = 7) Среднее 2,23 7,87 0,174 24,5 0,142 5714 min-max 4-61 0,06-7,01 7,32-8,65 0,083-0,450 4,1-36,7 0,001-0,934 27-30800 Селитебная (n = 13) Среднее 2,11 8,19 0,260 24,0 0,0798 775,4 min-max 5-68 0,01-5,88 7,29-9,37 0,100-0,987 14,1-38,5 <0,001-0,449 <5-5000 Рекреационная (n = 4) Среднее 3,95 7,28 0,080 20,1 0,255 5005 min-max 5-60 1,47-6,34 6,49-7,70 0,059-0,116 10,5-26,4 <0,001-0,54 <5-14500 Экраноземы ВАО в целом (n = 30) Среднее 2,24 8,0 0,195 23,2 0,192 2858 min-max 3-68 0,03-7,01 6,49-9,37 0,059-0,450 4,1-38,5 <0,001-1,68 <5-30800 Незаасфальтированные почвы ВАО (n = 52) Среднее 0-20 3,35 7,8 0,48** 33,0 0,644 10000*** * n - число проб, ** плотный остаток солей, %, *** по данным работы [39]. Physico-chemical and chemical properties of the upper horizons of background soils, ekranozems and unsealed soils in the EAD of Moscow Table 1 Index Depth, cm Сorg, % рНwater TDS, dS/m Physical clay, % BaP, mg/kg PP, mg/kg Background sod-podzolic soils of Meshchera (n* = 10) Mean 0-25 0,73 4,9 0,03* 12,0 0,0034 0,00 Industrial zone of EAD (n = 6) Mean 1,68 8,11 0,173 22,7 0,449 2608 min-max 3-55 0,24-3,23 7,55-8,73 0,093-0,334 9,4-36,6 0,114-1,68 225-10000 Traffic zone (n = 7) Mean 2,23 7,87 0,174 24,5 0,142 5714 min-max 4-61 0,06-7,01 7,32-8,65 0,083-0,450 4,1-36,7 0,001-0,934 27--30800 Residential zone (n = 13) Mean 2,11 8,19 0,260 24,0 0,0798 775,4 min-max 5-68 0,01-5,88 7,29-9,37 0,100-0,987 14,1-38,5 <0,001-0,449 <5-5000 Recreational zone (n = 4) Mean 3,95 7,28 0,080 20,1 0,255 5005 min-max 5-60 1,47-6,34 6,49-7,70 0,059-0,116 10,5-26,4 <0,001-0,54 <5-14500 All ekranozems of EAD (n = 30) Mean 2,24 8,0 0,195 23,2 0,192 2858 min-max 3-68 0,03-7,01 6,49-9,37 0,059-0,450 4,1-38,5 <0,001-1,68 <5-30800 Unsealed soils of EAD (n = 52) Mean 0-20 3,35 7,8 0,48** 33,0 0,644 10000*** * n - number of samples, ** total amount of dissolved salts, %, *** according to data [38]. По уровню загрязнения БП и НП экраноземы также сильно отличаются от фоновых почв (табл. 1), характеризуясь значительной неоднородностью и повышенными средними концентрациями. Превышение норматива по БП (0,02 мг/ кг) достигает в среднем 9,6 ПДК, а фонового уровня - 56 раз. Допустимое содержание НП в городских почвах, составляющее < 300 мг/кг [37], в экраноземах превышено в 9,5 раза. Наиболее высокая степень загрязнения БП выявлена в почвах промышленной, а НП - транспортной и рекреационной зон. Качественный состав НП в экраноземах описывается как смесь окисленных веществ с высоким содержанием смолистых компонентов [22]. Экраноземы загрязнены БП и НП в 3,4-3,5 раза меньше, чем незапечатанные почвы. Полученные в ВАО данные согласуются со сведениями об экраноземах г. Владимира, в которых рН колеблется в диапазоне 7,4-8,6, а среднее содержание НП в верхних горизонтах почв разных функциональных зон - от 560 до 910 мг/кг, что соответствует умеренному уровню загрязнения; в нижних горизонтах их концентрации уменьшаются до пределов 60-480 мг/кг, что оценивается как фоновый или слегка повышенный уровень [40]. Аналогичные оценки получены другими исследователями, изучавшими морфологическое строение профиля и свойства экраноземов в г. Москве [9; 10; 41; 42]. Ими установлено, что в ряде городских районов актуальная кислотность запечатанных почв по сравнению с зональными дерново-подзолистыми почвами отклоняется в сторону подщелачивания, значения рН колеблются в интервале 6,5-9,3. Экраноземы обогащены гумусом, его содержание варьирует от 0,5 до 6,0%, что так же превышает зональные параметры; гранулометрический состав преимущественно супесчаный и легкосуглинистый, с антропогенными включениями до 50%. Вертикальное распределение загрязнителей в профиле экраноземов. В профиле экраноземов ниже Асф и ПГ, залегающих в среднем до глубины 20 см, рассматриваемые загрязнители распределяются в зависимости от степени трансформации физико-химических свойств отдельных горизонтов и возможностей их накопления на техногенных ГХБ (рис. 4). Распределение содержания Сорг в профиле почв имеет аккумулятивный характер с несколькими хорошо выраженными максимумами по всему профилю, причем накопление органики в нижних горизонтах RАT и RT проявляется лучше, чем в приповерхностном горизонте UR (рис. 4). Пики Сорг до 2,8-3% на глубине около 100 и 170 см наблюдаются в почвах промышленной и транспортной зон, в то время как их приповерхностные аккумуляции не превышают 1,35%. Всем горизонтам почв в разных функциональных зонах свойственна нейтральная и щелочная реакция среды (рис. 4). Сильнощелочные значения рН = 9,3-9,4 установлены в горизонте UR селитебной зоны средней этажности, почвы которых даже на глубине 90 см имеют щелочную реакцию среды (рН = 8,9). В профиле почв других зон также прослеживаются несколько пиков щелочности на глубинах 50, 100-120 и 200 см. Общее содержание ЛС в подасфальтовом горизонте UR невысокое (TDS < 0,5 мСм/см), но в средней и нижней частях профиля соли образуют несколько зон концентрации со значениями TDS = 0,81-1,53 мСм/см в горизонте RAT на глубинах 80, 100, 120 и 170 см (см. рис. 4) в результате их сезонного выщелачивания из верхней части профиля. Содержание физической глины (частиц < 0,01 мм) увеличивается до глубины 80 см от 15 до 35%, что указывает на преобладание легкосуглинистого гранулометрического состава (см. рис. 4). В нижней части профиля он становится среднеи тяжелосуглинистым, с содержанием физической глины 30-40 и 40-50% в горизонтах ТСН почв транспортной и селитебной зон. БП в вертикальном профиле экраноземов распределен равномерно и только в почвах промышленной зоны отмечены две его приповерхностные аккумуляции в горизонте UR на глубине 25 и 50 см с содержанием 1,7 и 0,4 мг/кг и превышением ПДК в 20 и 85 раз соответственно (см. рис. 4). Третий небольшой пик накопления БП (около 0,1 мг/кг), выявленный в горизонте RAT на глубине 120-160 см, составляет 5 ПДК. Распределение НП по профилю экраноземов имеет аккумулятивный характер с несколькими хорошо выраженными максимумами (до пределов 585-2240 мг/кг) в верхней части профиля (гор. UR и AYur) и на глубине 100 см (гор. RAT) в селитебной и промышленной зонах (см. рис. 4), что превышает допустимую норму в 2-7,5 раза. Глубина, см 60 80 100 120 140 160 180 200 0 500 1000 1500 2000 2500 t1 i6 t7 s19 г д е Рис. 4. Основные свойства и распределение загрязняющих веществ в вертикальном профиле экраноземов в разных функциональных зонах ВАО Москвы (а-е). Местоположение почвенных разрезов: t1 - транспортная зона (ул. Красный Казанец); i6 - промышленная зона (Кусковская улица); t7 - транспортная зона (Зеленый проспект); s19 - селитебная зона средней этажности (ул. Вешняковская) а b c Physical clay, % benzo(a)pyrene, mg/kg Petroleum products, mg/kg 0 20 40 Depth, sm 60 80 100 120 140 160 180 200 0 10 20 30 40 50 t1 i6 t7 s19 0 20 40 Depth, sm 60 80 100 120 140 160 180 200 0 0,5 1 1,5 t1 i6 t7 s19 0 20 40 Depth, sm 60 80 100 120 140 160 180 200 0 500 1000 1500 2000 2500 t1 i6 t7 s19 d e f Fig. 4. The main properties and distribution of pollutants in the vertical profile of ekranozems in different land-use zones of the EAD in Moscow (a-f). Location of soil pits: t1 - traffic zone (Krasny Kazanets street); i6 - industrial zone (Kuskovskaya street); t7 - traffic zone (Zelenyj avenue); 495 s19 - residential mid-rise zone (Veshnyakovskaya street) Латеральное распределение загрязнителей в экраноземах. По условиям миграции загрязнителей на территории округа выделены элювиальные (автономные) и подчиненные (гетерономные) элементарные ландшафты (рис. 5). Применяемый катенарный подход дает возможность связать запечатанные почвы в единую сопряженную систему, в которой происходит миграция, трансформация и аккумуляция загрязняющих веществ, поступающих от техногенных источников. Искусственное покрытие в экраноземах создает в верхних горизонтах своеобразный парниковый эффект [6], усиливающий степень увлажнения их подэкрановых слоев и способствующий образованию вертикальных (внутрипрофильных) и латеральных (склоновых) миграционных потоков загрязняющих веществ, способных накапливаться на техногенных ГХБ. Изменения по длине катены в селитебной зоне ВАО основных почвенных показателей и загрязняющих веществ (рис. 5) показывают, что если значения рНв варьирует незначительно, то латеральное распределение Сорг, ЛС, БП, НП и отчасти физической глины, обнаруживает накопление в экраноземах трансаккумулятивных ландшафтов, представляющих собой нижние части склонов водоразделов. Аккумуляция поллютантов происходит на органоминеральном (сорбция органическим веществом почв) и сорбционно-седиментационном (сорбция на поверхности тонких фракций почвенных частиц) ГХБ [43], где концентрации БП и НП в 11 и 6,5 раз выше по сравнению с почвами элювиальных ландшафтов. Не менее интенсивно накапливаются ЛС - значения TDS в экраноземах элювиально-аккумулятивных ландшафтов почти в 10 раз выше, чем в автономной позиции. Картографирование загрязнителей в экраноземах. Пространственную структуру загрязнения НП и БП приповерхностных горизонтов экраноземов отражают две карты на территорию округа, составленные по данным почвенной съемки в сентябре 2016 г. (рис. 6, 7). В связи с чрезвычайно высокой вариабельностью содержаний НП и БП в приповерхностных горизонтах экраноземов интерполяцию загрязнителей при составлении карт провести не удалось, поэтому их содержание в точках отбора проб показано кружками разного диаметра. Основой для карт загрязнения НП и БП экраноземов послужила составленная авторами карта запечатанности почв в различных функциональных зонах ВАО Москвы (см. рис. 2). В экраноземах сформировались несколько крупных техногенных аномалий НП с содержанием в верхних горизонтах 3000-5000 мг/кг и выше, превышающим допустимую норму в 10-17 раз. Очень высокий и высокий уровни загрязнения НП отмечены в почвах с высокой и средней запечатанностью в транспортной и промышленной зонах (ул. Новокосинская, Вешняковская вблизи МКАД), а также в селитебной и рекреационной зонах (на Свободном проспекте и в пос. Ухтомский). Средний уровень загрязнения НП выявлен в почвах промышленной зоны, в рекреационной (Кусковский парк) и селитебной зоне (Свободный проспект). Низкий уровень загрязнения почв НП характерен для селитебной зоны со средней и высокой степенью запечатанности дворовых территорий. К незагрязненным почвам с допустимым содержанием НП < 300 мг/кг относятся некоторые селитебные и промышленные территории на севере и в центре округа. Рис. 5. Городская южно-таежная катена с экраноземами селитебной зоны на культурных наносах, подстилаемых флювиогляциальными отложениями в ВАО Москвы. Элементарные геохимические ландшафты: Э - элювиальный (выположенная поверхность водораздела); ТЭ - трансэлювиальный (пологие склоны); ТА - трансаккумулятивный (нижние части склонов); А - аквальный. Горизонты в профиле экраноземов - см. обозначения к рис. 3; КН - культурные наносы; ФО - флювиогляциальные отложения Fig. 5. Urban south-taiga catena with ekranozems on cultural deposits in the residential zone, underlain by fluvioglacial deposits in the EAD of Moscow. Elementary geochemical landscapes: E - eluvial (watershed surface); TE - trans-eluvial (gentle slopes); TA - trans-accumulative (footslopes); A - aquatic. Horizons in the profile of ekranozems: see designations in fig. 3; КН - cultural deposits; ФО - fluvioglacial deposits Рис. 6. Техногенные аномалии нефтепродуктов в верхних горизонтах экраноземов ВАО Москвы Fig. 6. Man-caused anomalies of petroleum products in the upper horizons of the ekranozems in the EAD of Moscow Рис. 7. Техногенные аномалии бенз(а)пирена в верхних горизонтах экраноземов ВАО Москвы Fig. 7. Man-caused anomalies of benzo(a)pyrene in the upper horizons of the ekranozems in the EAD of Moscow Пространственное распределение БП в поверхностных горизонтах экраноземов (см. рис. 7) близко к распределению НП (см. рис. 6), так как оба органических загрязнителя - углеводороды и имеют общее происхождение. Вместе с тем, имеются и различия. Из карты (см. рис. 7) видно, что по сравнению с НП, очень высокие и высокие содержания БП (> 0,5 и 0,25-0,5 мг/кг, что соответствует 12,5- 25 ПДК и более) приурочены к запечатанным почвам транспортной и промышленной зон на северо-западе, западе и востоке территории. Эти техногенные аномалии БП образовались под влиянием выбросов и стоков промышленных зон «Соколиная гора», «Прожектор», «Перово» и районной тепловой станции. Высокие концентрации БП выявлены также в жилых кварталах (Свободный пр-кт, пос. Ухтомский), в рекреационной (Кусковский парк, ул. Металлургов) и транспортной зонах (ул. Новокосинская). Аномалии БП со средним уровнем загрязнения экраноземов (0,1-0,25 мг/кг, т.е. 5-12,5 ПДК) располагаются преимущественно в промышленной зоне с высокой и средней степенью запечатанности). Допустимый и низкий уровень загрязнения БП (< 0,02 и 0,02-0,1 мг/кг, т.е. 1-5 ПДК) имеют в основном экраноземы в селитебной зоне, несколько точек с таким уровнем содержания БП находится в транспортной зоне. Техногенные аномалии БП в поверхностном горизонте открытых почв постагрогенной зоны на востоке округа (пос. Кожухово, Руднево) всего 7 лет назад были относительно невысоки, с концентрациями 0,034-0,068 мг/кг, т.е. в пределах 1,7-3,4 ПДК. После ввода в эксплуатацию в 2003 г. мусоросжигательного завода [44], несмотря на удаленность от жилой зоны, его негативное влияние ощущается в районах Новокосино, Ухтомский и Кожухово, жители которых пишут в управу округа обеспокоенные письма об экологических условиях их проживания [45]. Сравнение среднего содержания БП в экраноземах (см. табл. 1) с незапечатанными почвами ВАО [44; 46] показывает, что почвы открытых участков, по данным 2010 г., имеют более высокие концентрации БП, чем их запечатанные аналоги, различия достигают 3,4 раза. При малой проницаемости асфальтобетона содержание этого углеводорода в экраноземах довольно значительно, что можно объяснить низкими значениями окислительно-восстановительного потенциала, при котором происходит консервация БП и он может сохраняться в почвах несколько десятков лет [47]. В целом геохимическое состояние запечатанных почв ВАО по содержанию БП и НП можно охарактеризовать как экологически неблагоприятное, а на отдельных участках как опасное. Техногенные аккумуляции рассматриваемых углеводородов высокой контрастности формируются во всех функциональных зонах, при этом они более характерны для промышленной и транспортной зон с высокой степенью запечатанности почв. Неблагоприятные изменения в городских почвах при их покрытии асфальтобетоном создают реальную опасность для городской среды и здоровья горожан, поэтому во многих городах ведется борьба с запечатыванием почв. В Европе считают, что низкая степень запечатанности почв благоприятна для жителей, так как у

Об авторах

Елена Михайловна Никифорова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: nikiforova-geo@mail.ru

кандидат географических наук, старший научный сотрудник кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ

Ленинские горы, 1, Москва, Россия, 119991

Наталья Евгеньевна Кошелева

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: natalk@mail.ru

доктор географических наук, ведущий научный сотрудник кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ

Ленинские горы, 1, Москва, Россия, 119991

Тимур Салаватович Хайбрахманов

Инженерно-технологический центр «СКАНЭКС»

Email: haibrahmanov@scanex.ru

кандидат географических наук, заместитель руководителя департамента группы компаний «СКАНЭКС»

Киевское шоссе, 1, Бизнес-парк «Румянцево», корп. А, 8 подъезд, оф. 732, Москва, Россия, 108811

Список литературы