Основные принципы геохимической классификации ландшафтов сформулированы А.И. Перельманом [41]: принцип дискретности и непрерывности; принцип систематических признаков; принцип подвижных компонентов; принцип централизации. Они имеют ведущее значение при выделении таксонов разного уровня, различающихся условиями миграции и концентрации химических элементов, в том числе техногенных. Рассмотрим суть каждого из них.
Принцип дискретности и непрерывности. Дискретность атомов проявляется в форме их существования, а для геохимических свойств ландшафта характерна непрерывность. Ландшафтные объекты сменяют друг друга в пространстве постепенно, образуя единый ряд, сопряженный потоками вещества и энергии. При картографировании распространения элементов мы говорим о геохимическом поле – земном пространстве, с определенным содержанием химических элементов и их соединений. Например, ряды элементарных ландшафтов с разной реакцией среды, минерализацией вод, содержанием макро- и микроэлементов.
В связи с непрерывностью геохимических полей их параметры показывают изолиниями. Дискретные единицы классификации в этом случае оказываются не адекватными природе классифицируемых объектов, что приводит к некоторой условности при выделении таксонов.
Принцип систематических признаков. В классификации важным является выявление систематических, общих для всех ландшафтов признаков. Однако в некоторых случаях индивидуальные признаки ландшафтов тоже оказываются важными для их геохимической характеристики и учитываются при районировании территории. К одному ландшафтно-геохимическому району могут относиться ландшафты, не сходные в систематическом отношении.
Принцип подвижных компонентов. Таксономическое значение того или иного элемента зависит от его распространенности в ландшафте, интенсивности миграции и способности к концентрации. Наибольшее таксономическое значение имеют элементы с высокими кларками и энергично мигрирующие и накапливающиеся в ландшафте. К ним относятся типоморфные элементы, которые обычно используются при выделении класса водной миграции (Н-класс, Са-класс и др.)
Принцип централизации. Таксономическое значение элементов определяется положением в пространстве относительно центра ландшафтной системы. Чем ближе составная часть ландшафта расположена к его центру, тем большее таксономическое значение имеют особенности ее химического состава. Например, при классификации элементарных ландшафтов городов на уровне разделов систематическим признаком выступает содержание тяжелых металлов в верхнем горизонте почв.
Классификация городских ландшафтов с геохимических позиций предложена А.И. Перельманом и Н.С. Касимовым (1994). В ней используются подходы геохимии ландшафта и традиционного урболандшафтоведения. Классификация выполнена для двух масштабных уровней: систематика городов как целостных систем и классификация ландшафтов в пределах городской системы. Обе классификационные схемы разработаны на основе показателей, характеризующих природную и техногенную ситуации в городах.
Геохимическая систематика городов. Селитебные, в том числе и городские ландшафты, относятся к таксономическому уровню "отряд антропогенных ландшафтов". В основе его выделения лежит ведущая роль техногенной миграции веществ, наличие форм искусственного рельефа, концентрация населения. Дальнейшая дифференциация городов ведется по техногенным и природным особенностям происходящих в них миграционных процессов (табл. 21.2).
Таблица 21.2
Основные таксономические единицы геохимической систематики городов [106]
| Наименование единицы | Критерии выделения |
| Отряд | ведущая роль техногенной миграции, искусственный рельеф, концентрация населения |
| Разряд | степень техногенного воздействия на население и городскую среду |
| Группа | группа природных геохимических ландшафтов |
| Тип | тип природного геохимического ландшафта |
| Семейство | особенности воздушной миграции продуктов техногенеза |
| Класс | класс водной миграции продуктов техногенеза |
| Род | геохимическая специализация литогенного субстрата |
Важным признаком систематизации городов является степень техногенного воздействия на население и городскую среду. Он учитывается на уровне таксономической единицы – геохимического разряда городов, который обозначается буквенно-числовым индексом (табл. 21.3) и оценивается в баллах. Степень техногенного воздействия определяется совокупно по показателю суммарной эмиссионной нагрузки выбросов на одного жителя в год (E) и показателям состояния компонентов городской среды: суммарного показателя загрязнения депонирующих сред (Zс) и пылевой нагрузки (Р), поскольку между интенсивностью техногенных выбросов, приходящихся на каждого жителя, и уровнями загрязнения снежного покрова и почв города нет прямой зависимости. Оценочная шкала по этому признаку эмпирическая, разработанная с учетом результатов эколого-геохимического обследования ряда городов.
По данным авторов классификации, в крупных городах с населением более 500 тыс. жителей показатель Е составляет 0,1-0,7 с максимальными значениями (>0,3) в городах с преобладанием химической и нефтехимической промышленности (Баку, Омск, Ярославль, Уфа, Тольятти) и тяжелым машиностроением (Челябинск, Тула). Для Москвы он составляет 0,12 т/чел. в год, Минска – 0,08. В малых и средних промышленных городах Е изменяется от 0,2-0,3 до более 10. Среди наиболее загрязненных явно преобладают города с черной и цветной металлургией. По величине коэффициента Е введены градации городов, обозначенные буквенными индексами (табл. 21.3).
Таблица 21.3
Геохимические разряды городов [104]
| Уровни загрязнения (Zc), пылевая нагрузка (Р) | Количество выбросов на 1 жителя (т/чел. в год) | |||||||||
| Е<0,3 | Е=0,3-1 | Е = 1-2 | E=2-3 | Е = 3-5 | ||||||
| 1.Низкий (Zc =16, Р=200) | L1 | M1 | N1 | P1 | R1 | |||||
| 2.Средний умеренно опасный (Zc: почвы 16-32, снега 64-128, Р=250-450) | L2 | M2 | N2 | P2 | R2 | |||||
| 3.Высокий опасный (Zc: почвы 32—128, снега 128-256, Р=450-800) | L3 | M3 | N3 | P3 | R3 | |||||
| 4.Очень высокий, чрезвычайно опасный (Zc: почвы > 128, снега > 256; Р>800) | L4 | M4 | N4 | P4 | R4 |
Zc - суммарный показатель загрязнения, Р - величина пылевой нагрузки, кг/км2 в сутки, числа в клетках – баллы, характеризующие опасность загрязнения
Важной эколого-геохимической характеристикой городов является структура загрязнения. Она может быть основанием для выделения подразрядов городов и учитываться отдельно для макрополлютантов (оксиды и диоксиды азота, серы, углерода, пыль), на долю которых приходится более 90-95% от общего объема выбросов, и микрополлютантов, объемы выбросов которых малы, но велики уровни аномальности и токсичности (тяжелые металлы, хлорорганические соединения, углеводороды и др.). Так, среди крупных городов мира выделяются "серные" города - Тбилиси, Тегеран, Милан, Сеул, Новополоцк и др.; "азотные" - Донецк, Ташкент, Тель-Авив, Одесса, Москва и др.; "углеродные" - Париж, Сантьяго, Ереван, Мадрид, Минск и др.
Подобная геохимическая специализация существует и для микропримесей вредных веществ, особенно в депонирующих средах - почвах, растениях и донных отложениях. Наиболее высокие уровни концентрации в загрязненных почвах городов СНГ характерны для кадмия, свинца, цинка и меди, а наиболее контрастные локальные техногенные аномалии образуют никель, кадмий, цинк, меда и ртуть. Их максимальные содержания достигают десятков и даже сотен фоновых конценграций (кадмий, свинец). При этом каждый промышленный город имеет свою геохимическую специализацию. Наряду с "серными" и "азотными" можно выделять "медные" и другие города, отображая геохимическую специализацию и уровень их загрязнения на эколого-геохимических картах в виде формул из символов приоритетных загрязнителей, например, коэффициенты аномальности в атмосферных выпадениях, снеге (числитель) и почвах (знаменатель), если необходимо и растениях (рядом с дробью), а также суммарные показатели загрязнения (перед дробью).
Далее систематика городов предусматривает их детальную природную характеристику. Группы и типы городов выделяются по группам и типам природных ландшафтов, в пределах которых сформировались урбанизированные территории. Таксономический признак, учитываемый на этом уровне - зональные геохимические особенности ландшафтов городов. Семейства городов определяются особенностями воздушной миграции продуктов техногенеза, положением города в бассейнах атмосферного переноса и региональными особенностями загрязнения и самоочищения атмосферы. Важное значение имеет соотношение сильных и штилевых ветров, наличие инверсий, определяющих появление смога, рельеф и т.д. Многие из этих факторов отражены в геоморфологическом положении города. Поэтому выделяются семейства: равнинное (Москва, Минск), горно-котловинное и горно-долинное (Улан-Батор, Тбилиси), предгорное (Алма-Ата), приморское (Санкт-Петербург) и др. Среди крупных промышленных городов мира к семейству приморских относятся Копенгаген, Токио, Нью-Йорк, Ванкувер, Мельбурн, Торонто. Известно, что приморские города характеризуются высокой самоочищаемостью атмосферного воздуха от загрязнителей и отличаются наименьшими средними концентрациями взвешенных в воздухе частиц. И, наоборот, горно-котловинные и предгорные города при прочих равных факторах имеют самые высокие показатели загрязнения.
Классы городов выделяются по условиям водной миграции продуктов техногенеза и положению в каскадных ландшафтно-геохимических системах. Как и в природных ландшафтах, выделяются глеевые, кальциевые и прочие классы, отличающиеся интенсивностью миграции и характером разложения техногенных веществ. Для города в целом целесообразно указывать пространственную структуру преобладающих по площади классов в автономных и подчиненных позициях, что определяет особенности концентрации загрязняющих веществ на геохимических барьерах. По существу это классы наиболее типичных почвенно-геохимических катен.
Род городов определяется геохимической специализацией литогенного субстрата. Все города по уровням содержания токсичных элементов и соединений в коренных, почвообразующих породах и почвах можно разделить на три рода: I - фоновые ландшафты с околокларковыми содержаниями большинства элементов (многие города на четвертичных рыхлых отложениях); II – субаномалъные ландшафты с повышенными содержаниями отдельных элементов в литогенной основе; III - города с природно-аномальными литогеохимическими условиями, т.е. построенные на участках рудных, угольных, нефтяных и газовых месторождений, где высокие природно-обусловленные концентрации токсичных элементов создают достаточно высокий уровень загрязнения городского ландшафта. Примерами последних могут служить города на хром-никелевом месторождении (Моа на Кубе) и в нефтеносных районах (Баку) и др. Добыча и переработка полезных ископаемых в этих случаях вносит дополнительную техногенную нагрузку, что увеличивает опасность экологической ситуации.
Геохимическая классификация городских ландшафтов. В географии существует несколько подходов к созданию классификации городских ландшафтов: 1) комплексный подход, основанный на выделении внутри города территорий с близкими результатами взаимодействия природных и техногенных факторов ландшафтообразования, близкой степенью нарушенности природных процессов и т.п.; 2) геоструктурный подход, в основу которого положен учет сочетания природных и антропогенных компонентов в ландшафтах; 3) экологический подход, основанный на зонировании городов по уровню антропогенного воздействия. Геохимические принципы классификации городских ландшафтов в известной степени сочетают все эти подходы и учитывают одну из важнейших сторон техногенного воздействия – факт загрязнения городской среды. Основания и критерии выделения таксонов на разных уровнях классификации отличаются: на верхних уровнях в качестве оснований используются антропогенные (социально-производственные) факторы, а на нижних - природно-обусловленные, частично измененные техногенезом (табл. 21.4).
Таблица 21.4
Основные таксономические единицы геохимической классификации городских элементарных ландшафтов [104]
| Наименование единицы | Критерии выделения |
| Техногенные критерии | |
| Порядок | принадлежность к функциональной зоне, загрязнение ландшафтов |
| Отдел | особенности воздушного привноса и выноса загрязняющих веществ, геохимическая специализация выбросов и отходов |
| Раздел | уровни и опасность загрязнения |
| Природные и природно-техногенные критерии | |
| Группа и тип | особенности биологического круговорота веществ |
| Класс | класс водной миграции продуктов техногенеза |
| Род | особенности воздушной и водной миграций, положение в ландшафтно-геохимических катенах |
| Вид | геохимическая специализация литогенного субстрата |
Крупные и средние города занимают значительную площадь, в пределах которой существуют территориальные комплексы различного ранга. Для характеристики природной составляющей городских элементарных ландшафтов в этой классификации используются принципы выделения, предложенные Б.Б. Полыновым и используемые в геохимии ландшафта. В качестве "техногенного" основания классификации используются сочетания характеристик техногенного воздействия и вида геохимической трансформации исходного ландшафта. Принципы геохимической классификации природных ландшафтов, в которой ландшафтные системы рассматриваются с позиций их сопряженного геохимического анализа, оказываются вполне адекватными задачам классификации городских элементарных ландшафтов.
В результате промышленного, транспортного и муниципального воздействия на городскую среду формируются техногенные геохимические аномалии в различных компонентах ландшафтов. Контрастность и пространственное положение этих аномалий зависит от сочетания функциональной структуры города, определяющей характер и уровень техногенного воздействия, и ландшафтно-геохимических условий, дифференцирующих это воздействие.
При определении порядка городских ландшафтов ведущим фактором выступают особенности техногенной миграции, во многом определяемые приуроченностью к той или иной функциональной зоне. С ними связаны многие количественные параметры техногенного загрязнения, а также характер трансформации и деградации биологического круговорота. Выделяются пять основных порядков городских ландшафтов: 1) парково-рекреационный; 2) агротехногенный; 3) селитебный; 4) селитебно-транспортный; 5) промышленный. В пределах этих порядков коэффициент контрастности поступления техногенных веществ из атмосферы по сравнению с фоном колеблется от менее 10 в парково-рекреационной зоне до более 30 в промышленной. Это соответственно ландшафты со слабой, умеренной, сильной и практически полной деградацией биологического круговорота.
Первые три порядка, представленные в табл. 21.5, представляют собой арены преимущественно привноса (имиссии) техногенных веществ. В их пределах геохимическая дифференциация ландшафтов во многом определяется особенностями местной миграцией элементов. Наименьшую атмотехногенную нагрузку испытывают обычно парково-рекреационные ландшафты. При этом значительная роль в перераспределении элементов принадлежит биогенной миграции. Агротехногенные – это городские ландшафты, используемые для производства сельскохозяйственной продукции (сады, огороды). Они находятся под двойным – атмотехногенным и агрогенным (удобрения, ядохимикаты) – прессом техногенных веществ.
В пределах селитебных ландшафтов контрастность техногенных аномалий существенно зависит от высоты и расположения зданий. Жилые здания и другие сооружения способствуют формированию вертикальных воздушных потоков, а также служат механическим барьером на их пути. Кроме того, с показателем этажности связаны такие характеристики, как плотность населения, тип водоснабжения, количество отходов. Поэтому порядок селитебных ландшафтов разделяют на отделы: с низким антропогенным рельефом и одно-, двухэтажной застройкой (слабая выраженность механических барьеров, преобладание латеральной воздушной миграции); со среднеэтажной застройкой; с высокоэтажной застройкой (контрастные механические барьеры, появление и даже преобладание восходящих воздушных потоков).
Следующие два порядка (табл. 21.5) объединяют ландшафты, для которых характерны присутствие источников техногенной эмиссии и интенсивная аккумуляция техногенных элементов в депонирующих средах. Порядок селитебно-транспортных ландшафтов делится на отделы по интенсивности движения и, следовательно, техногенной нагрузки (например, переулки, улицы, автострады, вокзалы). Порядок промышленных ландшафтов делят на отделы в зависимости от типа производства, добываемого сырья, источника энергии, характера отходов. Так, могут быть выделены ландшафты заводов и фабрик определенной специализации, электростанций (тепловых, атомных), отвалов и др.
Для выделения разделов городских ландшафтов интегральным критерием служат уровни загрязнения отдельных компонентов и степень их опасности для живых организмов в пределах порядков и отделов. Уровень и опасность загрязнения компонентов определяют по предложенной Ю. Е. Саетом и Б. А. Ревичем (1988) эмпирической шкале. Она содержит четыре ступени градации суммарных показателей пылевой нагрузки и загрязнения химическими элементами снега и почв. В результате предложено рассматривать 16 разделов городских ландшафтов, охватывающих основные комбинации зон, различающихся по функциональному использованию и уровню загрязнения. В таблице 21.5 приведены отдельные примеры таких разделов.
Таблица 21.5
Разделы городских ландшафтов [104]
| Уровни и опасность загрязнения (Zc, P) | Порядки ландшафтов (функциональные зоны) | ||||
| парково-рекреационный | агротехногенный | селитебный | селитебно-транспортный | промышленный | |
| Низкий (Zc< 16; Р< 200) | селитебный с низким загрязнением | ||||
| Средний, умеренно опасный (Zc почвы -16-32, снега - 64-128, P=250-450) | парково-рекреационный со средним загрязнением | агротехногенный со средним загрязнением | |||
| Высокий, опасный (Zc почвы - 32-128, снега - 128-256, Р = 450-800) | селитебно-транспортный с высоким уровнем загрязнения | ||||
| Очень высокий, чрезвычайно опасный (Zc почвы > 128. снега > 256, Р> 800) | селитебный с очень высоким загрязнением | промышленный с очень высоким уровнем загрязнения |
Zс - суммарный показатель загрязнения, в условных единицах; Р - величина пылевой нагрузки, кг/км2 в cутки; соответствующие семейства в клетках таблицы описаны выборочно
Особенности водной миграции химических элементов в городских ландшафтах учитываются на уровне классов. Классы выделяются по сочетанию окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных условий, а также видам геохимических барьеров в профиле почв и между сопряженными элементарными ландшафтами. При этом сохраняются традиционные в геохимии ландшафта названия класса (кислый, кислый глеевый, нейтральный и др.). Однако для городских условий также имеет значение прогноз изменения условий миграции элементов под влиянием техногенеза, который может быть дан на соответствующем таксономическом уровне (подкласс) и отражен в фиксации той или иной тенденции изменения геохимических условий (кислый нейтрализующийся, щелочной, подкисляющийся и т.п.). Можно также указывать окислительно-восстановительные условия грунтовых вод, поскольку они тоже подвергаются изменениям в городской среде.
Определяя род ландшафтов, следует учитывать, что в городах интенсивное атмосферное поступление веществ нивелирует влияние рельефа на перераспределение элементов. Поэтому представления об автономности и подчиненности городских ландшафтов требуют пересмотра по сравнению с природными аналогами. В значительной степени теряет смысл постулат о предельно малой величине поступления вещества из атмосферы в элювиальные ландшафты, который используется обычно для характеристики фоновых условий. Рельеф города влияет не только на водную, но и на воздушную миграцию веществ, и наряду с традиционным выделением зон мобилизации, транзита и аккумуляции вещества (элювиальные, трансэлювиальные, элювиально-аккумулятивные, супераквальные элементарные ландшафты) требуется учет их положения относительно основных источников воздействия и преобладающих атмотехногенных потоков. Как правило, атмотехногенные аномалии приурочены к наветренным склонам и водораздельным поверхностям, а подветренные склоны испытывают менее интенсивную нагрузку. На этой основе конкретизируются названия рода городских ландшафтов (трансэлювиальные наветренные, трансэлювиальные подветренные и т.д.). При уточнении рода элементарных ландшафтов в городе важно также учитывать их принадлежность к природным (водно-эрозионным) или природно-техногенным (бассейнам концентрации ливневого стока) каскадным геохимическим системам определенного порядка, а также открытость или замкнутость этих систем, поскольку эти характеристики определяют особенности миграции и аккумуляции продуктов техногенеза.
Многие особенности водной миграции, а также уровни техногенной трансформации ландшафтов тесно связаны с гранулометрическим составом почв и грунтов, который учитывается при выделении вида городских ландшафтов. Например, песчаные почвы характеризуются значительно меньшими показателями сорбционной емкости, содержания химических элементов, чем суглинистые. Гранулометрические особенности почв и грунтов определяют их водопроницаемость, при этом важно отличать естественные почвы и грунты от техногенных почв, наносов и асфальтированных поверхностей.
Успешная реализация рассмотренной классификационной схемы при крупномасштабном ландшафтно-геохимическом картографировании городов зависит от полноты имеющейся геохимической информации, изменчивости динамичных показателей (касающихся, прежде всего, атмосферных выпадений), учета всех специфических факторов воздействия на территории города. Данная классификация в той или иной степени модификации была реализована при эколого-геохимическом картографировании ряда городов СНГ [94, 97, 107, 108 и др.].
