Оценка экологической комфортности почв городских экосистем при воздействии на них тяжелых металлов

Полный текст

Введение Городские территории представляют собой жилище для основной массы населения нашей планеты [1]. Экологическая комфортность городских территорий определяет как возможность для проживания и хозяйствования человека, так и его благополучие и здоровье. В условиях высокой техногенной нагрузки на экосистемы городов экологические функции их компонентов ограничены. Современные достижения в технологиях организации городской инфраструктуры могут позволить создавать экосистемы, устойчивые к различным уровням техногенной нагрузки. Важным моментом в такой работе является объективная оценка актуального экологического состояния компонентов экосистем и прогнозирование сценариев их динамики. Точность подобных оценок может повысить рациональность планов строительства и организации промышленного производства в рамках городских агломераций [2]. Экологическая оценка и экологическое нормирование требуют комплексного подхода, учитывающего оценку функционального состояния всех компонентов экосистем. Базовым компонентом сухопутных экосистем являются почвы, которые регулируют глобальные процессы круговоротов и миграции веществ [3; 4]. Одним из частых видов загрязнений почв городов является загрязнение тяжелыми металлами (ТМ). Количество источников эмиссии ТМ в окружающую среду неуклонно растет, вследствие чего массы ТМ депонируются в почвах, вызывая различные изменения в их функционировании [3; 5]. На современном этапе оценка загрязненности почв ТМ основывается на сопоставлении актуального содержания ТМ в поверхностном корнеобитаемом слое почвы, как правило, в гумусово-аккумулятивном горизонте с установленными санитарно-гигиеническими нормативами ПДК и ОДК [6]. Наукой разработан и апробирован ресурсный метод оценки загрязненности почв ТМ и предложены условные нормативы запасов ТМ в метровой толще почвы. Данный метод позволяет оценить степень глубинного загрязнения и уточнить экологическую опасность для сопредельных экосистем [4; 7]. Высокая пространственная неоднородность почвенного покрова с наличием значительного количества антропогенно-преобразованных почв в условиях города требует более детального подхода, который должен основываться на отношении уровня техногенного воздействия на почвенно-растительный покров и биоту к устойчивости почв. Цель работы состояла в разработке и апробации комплексного индекса экологической комфортности почв городских экосистем при воздействии на них и биоту тяжелых металлов. Объекты и методы исследования В работе была проведена апробация предложенного автором комплексного индекса оценки экологического состояния почв городских экосистем Курска, который может быть применим в оценке экологической комфортности почв. В качестве объектов исследования были выбраны четырнадцать участков, представленных генетически разнородными почвами, имеющими различный уровень антропогенной трансформации и различный уровень загрязнения тяжелыми металлами. Комплексный индекс оценки экологического состояния (экологической комфортности) был рассчитан для девяти типов антропогенно-преобразованных и фоновых почв Курска: чернозем выщелоченный, темно-серая типичная почва, темно-серая глееватая почва, аллювиально-пойменная глееватая почва, дерново-подзол песчаный иллювиально-железистый, подзол песчаный иллювиально-железистый, урбанозем собственно, урбо-темно-серая типичная почва, урбосерая типичная почва. Расчет комплексного индекса экологической комфортности (Ecological Comfort Index - ECI) почв проводился по формуле, приведенной далее, которая представляет собой отношение суммы показателей воздействия тяжелых металлов на почвенно-растительный покров и почвенную биоту к сумме показателей экологической устойчивости почв к воздействию тяжелых металлов и способности почв препятствовать загрязнению ТМ сопредельных территорий. EСI= Cme+Qme+Mob+Cfme+Tmb , н+|лvн|+sT+св+LT где, Сme - превышение валового содержания тяжелого металла в гумусовоаккумулятивном горизонте над ПДК (количество раз); Qme - превышение запаса тяжелого металла в метровом слое почвы над условным региональным нормативом ПДК (количество раз); Mob - доля подвижных форм тяжелого металла относительно его валового содержания; Сfit - превышение норматива содержания тяжелого металла в фоновых видах растений (количество раз); Tmb - трансформация почвенной микробиоты, оцениваемая in situ по изменениям потоков эмиссии CO2 и целлюлозолитической активности почв относительно фоновых аналогов с использованием мобильного высокоточного инфракрасного газоанализатора Li-820 и аппликационного метода (0 - трансформация не наблюдается, 1 - трансформация наблюдается); H - содержание гумуса в гумусово-аккумулятивном горизонте (%); |ΔpH| - контрастность кислотно-щелочного геохимического барьера в метровой толще почвы; ST (soil texture) - гранулометрический состав почвы (значение коэффициентов: 1 - песчаный, глинистый, 2 - супесчаный, 3 - суглинистый); GB - наличие геохимических барьеров в глубинных горизонтах почв - железистомарганцевые конкреции, карбонатный, глеевый и др. (0 - геохимические барьеры отсутствуют, 1 - геохимические барьеры имеются); LT - положение в ландшафте (значения коэффициентов: 1 - супераквальные и трансупераквальные ландшафты с гидроморфными почвами, 2 - аккумулятивные, трансаккумулятивные и транзитные ландшафты с полугидроморфными и автоморфными почвами, 3 - элювиальные ландшафты с автоморфными почвами). Показатели воздействия на почвы, приведенные в числителе уравнения являются общепринятыми показателями оценки воздействия тяжелых металлов на компоненты окружающей среды (почвы, растения, почвенный микробиоценоз), учитывающие превышения значений ПДК и фоновых характеристик. В знаменателе уравнения приводятся как базовые характеристики устойчивости почв и ландшафтов к воздействию ТМ с предложенными условными значениями, так и количественные характеристики внутрипочвенных геохимических барьеров. Полученные расчетные значения комплексного индекса экологической комфортности почв предлагается нормировать согласно правовым актам, действующим на территории Российской Федерации: Федеральному закону «Об охране окружающей среды» (с изменениями на 27 декабря 2018 года); Критериям оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия (утверждено Министерством природных ресурсов Российской Федерации 30 ноября 1992 г.), а также по предлагаемым отечественными исследователями уровням природно-антропогенных экологических нарушений, применяя диапазоны, указанные в табл. 1 [8; 9]. Шкала экологического нормирования и экологической комфортности почв городских экосистем Таблица 1 Уровень нарушения почвы Степень комфортности почв Значение ECI Норма Комфортная < 0,5 Риск Условно комфортная 0,5-1 Кризис Некомфортная 1-5 Бедствие Некомфортная > 5 Scale for ecological regulation and ecological comfort of urban ecosystem soils Table 1 Soil degradation rate Soil comfort ECI value Normal quality standard Ecological risk Ecological crisis Ecological disasters Сomfortable Relatively comfortable Uncomfortable Uncomfortable < 0,5 0,5-1 1-5 > 5 Учитывая особенность городских экосистем и высокую расчлененность структуры землепользования на относительно небольших территориях, а также практически неотъемлемый антропогенный пресс, уровни природно-антропогенных экологических нарушений почв «Норма» и «Риск» можно относить к комфортным и условно комфортным с учетом структуры землепользования и функционального зонирования городских территорий. Уровни природно-антропогенных экологических нарушений почв «Кризис» и «Бедствие» - считать некомфортными (табл. 1). Расчет индекса экологической комфортности необходимо проводить по каждому тяжелому металлу отдельно. В случае если индекс, рассчитанный для одного или нескольких металлов, выше диапазона комфортности, то данные почвы считать условно комфортными или некомфортными (табл. 1). Обменная кислотность почвы и содержание гумуса определялись общепринятыми методами: рНКСl - ГОСТ 26483-85, гумус по Тюрину - ГОСТ 26213-91. Содержание валовых и подвижных форм свинца и кадмия выявлялось с применением атомно-адсорбционной спектрометрии. Запасы ТМ рассчитывались по методу А.В. Смагина с соавт., условный региональный норматив запасов Pb и Cd рассчитывался с учетом показателя плотности почв Курска [4; 7]. Использовались значения ПДК для свинца и кадмия в почвах (ГН 2.1.7.2041-06). Диагностику и классификацию проводили в соответствии с современными представлениями о классификации почв [10-12]. Результаты и обсуждение В ходе исследования установлен значительный уровень пространственной неоднородности свойств почв. К примеру, содержание гумуса в гумусовоаккумулятивных горизонтах варьирует от 0,37 до 6,1 %. Внутрипрофильные изменения рН составляют от 0,2 до 2 единиц (табл. 2). Максимум загрязнения почв валовым свинцом достигает 7,4 ПДК, валовым кадмием - 1,41 ПДК. Максимальные превышение норм содержания ТМ в растениях составляли для свинца 8 раз, для кадмия - 1,1 раза. Оценка степени экологической комфортности почв экосистем Курска Таблица 2 по комплексному индексу экологической комфортности через отношение показателей воздействия ТМ на почвы, растительность и биоту к экологической устойчивости почв № п/п Значение ECI при воздействии Pb, Cd Категория состояния, степень комфортности Содержание гумуса, % Контрастность кислотно-щелочного барьера, ΔpH Содержание Pb в долях ПДК, почва, фоновая растительность Содержание Сd в долях ПДК, почва, фоновая растительность Запас ТМ в метровом слое почвы г/см2 в долях условного норматива ПДК, Pb, Cd Трансформация микробиоты (+ отмечается / - отсутствует) Мобильность ТМ, % Pb, Cd Тип почвы, компонент ландшафта 1 Чернозем выщелоченный средне- 0,15 Норма 4,9 0,2 0,41 0,44 0,37 - 19,1 суглинистый миграционно-мицеляр- 0,13 К 0,9 0,4 0,63 18,9 ный, элювиальный 2 Темно-серая типичная среднесу- 0,22 Норма 4,5 1,4 0,56 0,15 0,7 - 9,0 глинистая, транзитный 0,1 К 1,12 0,2 0,43 41,0 3 Темно-серая глееватая среднесу- 0,22 Норма 4,2 0,8 0,8 0,4 0,8 - 11,2 глинистая, аккумулятивный 0,12 К 0,74 0,2 0,43 32,5 4 Аллювиально-пойменная глеева- 0,74 Риск 2 0,5 1,02 0,75 0,8 + 7,0 тая среднесуглинистая, суперак- 0,61 УК 1,94 1,1 1,0 12,1 вальный (район ТЭЦ-1) 5 Аллювиально-пойменная глеева- 0,30 Норма 6,1 0,5 1,06 0,4 0,85 - 17,0 тая среднесуглинистая, суперак- 0,18 К 1,5 0,9 0,41 41,4 вальный (пляж «Здоровье») 6 Дерново-подзол песчаный иллю- 0,32 Норма 1,9 0,8 0,29 0,25 0,21 - 29,3 виально-железистый, транзитный 0,18 К 1,38 0,2 0,23 58,1 (парк «Моква») 7 Дерново-подзол песчаный иллю- 0,27 Норма 1,2 0,6 0,2 0,12 0,16 - 41,0 виально-железистый, транзитный 0,29 К 0,56 0,3 0,21 79,0 (Горелый лес) 8 Подзол песчаный иллювиально- 1,11 Кри0,37 0,5 0,15 0,34 0,07 - 52,3 железистый, элювиальный 0,26 зис 4,62 0,3 0,21 43,1 НК 9 Подзол песчаный иллювиально- 1,51 Кри1,7 0,6 4,27 1,26 0,54 + 31,0 железистый, трансэлювиальный 0,38 зис 5 1,0 0,23 32,2 НК 10 Урбанозем собственно среднесу- 1,30 Кри5,9 0,7 3,9 1,39 3,75 + 18,0 глинистый, элювиальный 0,36 зис 7,6 1,1 0,87 26,1 НК 11 Урбанозем собственно среднесу- 2,45 Кри2,6 0,6 7,4 1,41 5,9 + 33,5 глинистый, транзитный 3,56 зис 8,0 1,1 29,0 32,8 НК 12 Урбосерая типичная среднесу- 0,7 Риск 2,9 0,3 1,23 0,3 1,07 + 44,0 глинистая, элювиальный 0,24 УК 2,7 0,1 0,53 30,2 13 Урбосерая типичная среднесу- 0,68 Риск 2,2 2,0 0,87 0,29 0,9 + 18,3 глинистая, транзитный 0,24 УК 2,7 0,1 0,33 27,0 14 Урбо-темно-серая типичная средне- 0,51 Риск 2 0,9 1,02 0,27 1,35 + 14,2 суглинистая, элювиальный 0,29 УК 1,1 0,2 0,5 63,0 Примечание: К - комфортная; УК - условно комфортная; НК - некомфортная. Table 2 Assessment of the degree of ecological comfort of the soils of the ecosystems of Kursk by the integrated index of ecological comfort based on the ratio of the impact of HM on soils, vegetation and biota to the ecological sustainability of soils ECI value when exposed, Pb, Cd Status Category, Degree of comfort Humus content, % Acid-base barrier contrast, ΔpH Pb concentration in shares of MPC, Soil, background vegetation Cd concentration in shares of MPC, Soil, background vegetation HM stock in meter soil layer in fractions of the standard MPC, Pb, Cd Microbiota transformation (+ is marked / - is absent) HM Mobility, % Pb, Cd No Type of soil, landscape component 1 Chernozem leached middle loamy, eluvi- 0,15 Stan- 4,9 0,2 0,41 0,44 0,37 - 19,1 al landscape 0,13 dard 0,9 0,4 0,63 18,9 C 2 Dark gray typical middle loamy soil, 0,22 Stan- 4,5 1,4 0,56 0,15 0,7 - 9,0 transite landscape 0,1 dard 1,12 0,2 0,43 41,0 C 3 Dark gray gley middle loamy soil, ac- 0,22 Stan- 4,2 0,8 0,8 0,4 0,8 - 11,2 cumulative landscape 0,12 dard 0,74 0,2 0,43 32,5 C 4 Alluvials meadow gley с middle loamy 0,74 Risk 2 0,5 1,02 0,75 0,8 + 7,0 soil, superaqual landscape (District 0,61 RC 1,94 1,1 1,0 12,1 Thermal Power Station - 1) 5 Alluvials meadow gley с middle loamy 0,30 Stan- 6,1 0,5 1,06 0,4 0,85 - 17,0 soil, superaqual landscape (beach 0,18 dard 1,5 0,9 0,41 41,4 “Zdorov’e”) C 6 Sandy sod-podzol illuvial-ferrugenous, 0,32 Stan- 1,9 0,8 0,29 0,25 0,21 - 29,3 transite landscape (forest-park “Mokva”) 0,18 dard 1,38 0,2 0,23 58,1 C 7 Sandy sod-podzol illuvial-ferrugenous, 0,27 Stan- 1,2 0,6 0,2 0,12 0,16 - 41,0 transite landscape (Gorelii forest) 0,29 dard 0,56 0,3 0,21 79,0 C 8 Sandy podzol illuvial-ferrugenous, 1,11 Crisis 0,37 0,5 0,15 0,34 0,07 - 52,3 transite landscape, eluvial landscape 0,26 UC 4,62 0,3 0,21 43,1 9 Sandy podzol illuvial-ferrugenous, 1,51 Crisis 1,7 0,6 4,27 1,26 0,54 + 31,0 downslope landscape 0,38 UC 5 1,0 0,23 32,2 10 Urbanosem actually middle loamy, 1,30 Crisis 5,9 0,7 3,9 1,39 3,75 + 18,0 eluvial landscape 0,36 UC 7,6 1,1 0,87 26,1 11 Urbanosem actually middle loamy, 2,45 Crisis 2,6 0,6 7,4 1,41 5,9 + 33,5 transite landscape 3,56 UC 8,0 1,1 29,0 32,8 12 Urban gray typical middle loamy soils, 0,7 Risk 2,9 0,3 1,23 0,3 1,07 + 44,0 eluvial landscape 0,24 RC 2,7 0,1 0,53 30,2 13 Urban gray typical middle loamy soils, 0,68 Risk 2,2 2,0 0,87 0,29 0,9 + 18,3 transite landscape 0,24 RC 2,7 0,1 0,33 27,0 14 Urban dark gray typical middle loamy 0,51 Risk 2 0,9 1,02 0,27 1,35 + 14,2 soils, eluvial landscape 0,29 RC 1,1 0,2 0,5 63,0 Note: C - comfortable; RC - relatively comfortable; UC - uncomfortable. В ходе исследования установлен высокий размах варьирования доли мобильных форм свинца (7-52,3 %) и кадмия (12,1-79,0 %) относительно валового содержания данных ТМ в почвах Курска, что связано с генезисом изучаемых почв и пространственной неоднородностью их базовых свойств, а также уровнем техногенного воздействия. Отметим, что наибольшая мобильность ТМ зафиксирована в загрязненных урбаноземах и урбопочвах, почвах с легким гранулометрическим составом и крайне низким содержанием органического вещества. Проведенная апробация комплексного индекса экологической комфортности почв Курска в условиях воздействия на экосистемы свинца и кадмия показала следующие результаты (табл. 2). Экологически комфортными можно считать 42,8 % почв изучаемых ключевых участков Курска (0,1 < ECI < 0,32). К условно комфортным относятся 28,6 % почв ключевых участков (0,51 < ECI < 0,74). Некомфортная экологическая обстановка зафиксирована на 28,6 % ключевых участках (1,11 < ECI < 3,56). Отметим, что техногенно-преобразованные урбопочвы не относятся к экологически комфортным и условно комфортным ввиду мощного техногенного пресса. Экологически некомфортными также являлись почвы, испытывающие менее значительную антропогенную нагрузку, но обладающие низкой экологической устойчивостью (подзолы песчаные иллювиально-железистые). ECI почв 4 и 11 участков находился выше диапазона экологической комфортности (ECI > 0,5) одновременно по двум исследуемым тяжелым металлам (Pb и Cd), что обусловлено расположением в районе с наиболее мощным воздействием на окружающую среду и значительным сосредоточением источников эмиссии ТМ в окружающую среду. Экологически комфортными являлись фоновые почвы без значимого антропогенного преобразования, как правило, принадлежащие санитарнозащитным и рекреационным функциональным зонам (участки 2, 3, 5-7). Заключение Оценка экологической комфортности почв, подверженных воздействию ТМ, требует детального подхода и должна основываться на отношении суммы показателей воздействия тяжелых металлов на почвенно-растительный покров и почвенную биоту к сумме показателей экологической устойчивости почв к воздействию ТМ и способности почв препятствовать загрязнению ТМ сопредельных территорий. Проведенная апробация комплексного индекса экологической комфортности почв ключевых экосистем Курска показала, что экологически комфортными являются 42,8 % почв рекреационных и санитарно-защитных функциональных зон, 28,6 % почв селитебных зон можно назвать условно комфортными, 28,6 % почв промышленных, селитебных и санитарно-защитных зон признаны экологически некомфортными.

Об авторах

Николай Петрович Неведров

Автор, ответственный за переписку.
Email: 9202635354@mail.ru
SPIN-код: 7416-6152

кандидат биологических наук, младший научный сотрудник НИЛ экомониторинга

Список литературы