| Элемент | Гранулометрический состав и рН почвы | ||
| Песчаные и супесчаные | Суглинистые и глинистые кислые почвы (рНКCl<5,5) | Суглинистые и глинистые нейтральные и близкие к ним почвы (рНКCl>5,5) | |
| Кадмий | 0,5 | 1,0 | 2,0 |
| Никель | 20,0 | 40,0 | 80,0 |
| Цинк | 55,0 | 110,0 | 220,0 |
| Медь | 33,0 | 66,0 | 132,0 |
Однако показатель ПДК – непостоянная величина и меняется, если установлены новые, ранее не замеченные эффекты воздействия. Не учитывают ПДК и эффект совместного синэргетического воздействия на живые организмы нескольких химических элементов, которые содержатся в почве в разных формах и концентрациях [149].
По полученным и интерпретированным данным выявляются механизмы миграции и концентрации элементов в городских ландшафтах, степень их техногенной трансформации, выполняется почвенно-геохимическое зонирование территории города.
Установлено, что почвы городских территорий могут существенно отличаться от своих аналогов в пределах природной зоны [150, 151, 152]. Среди важнейших изменений следует отметить подщелачивание городских почв, увеличение содержания органического вещества и элементов питания растений, изменение макро- и микроэлементного состава почв.
Подщелачивание обусловлено осаждением на поверхность почвы строительной и другой пыли, содержащей карбонаты кальция и магния. Подщелачивание почв городов возможно также и за счет золы, образующейся при сгорании большинства видов топлив и имеющей щелочную реакцию. Кроме того, под действием осадков с большим количеством растворенной углекислоты, в почвах происходит образование бикарбонатов, которые являются гидролитически щелочными солями [94].
Результаты исследований свидетельствуют также об обогащении городских почв гумусом. Как видно из таблицы 21.12, среднее содержание гумуса в минеральных почвах городов находится в пределах 3,6–4,7 %, тогда как в дерново-подзолистых ненарушенных автоморфных почвах Беларуси его содержание колеблется в пределах 0,1–3 %. Наиболее высокое содержание гумуса характерно для почв промышленных и селитебных ландшафтов, где верхние почвенные горизонты полностью или частично заменены техногенным субстратом или насыпным гумусовым горизонтом.
Таблица 21.12
Содержание гумуса в почвах различных функциональных зон городов, % [153]
| Функциональная зона | Минск | Гомель | Светлогорск | |||
| среднее | пределы | среднее | пределы | среднее | пределы | |
| Селитебная | 4,7 | 1,1–13,6 | 4,4 | 4,1–4,9 | 2,4 | 2,3–2,5 |
| Агроселитебная | 4,1 | 2,0–8,8 | 4,2 | 1,3–10,9 | 2,9 | 1,8–6,2 |
| Промышленная | 7,9 | 3,0–9,5 | 5,7 | 2,0–13,0 | не опр. | 0,99 |
| Сельскохозяйственная | 2,5 | 1,0–7,9 | 2,6 | 0,9–6,2 | 3,6 | 1,0–7,5 |
В условиях города происходят изменения почвенного поглощающего комплекса (ППК). Установлено, что в городских почвах содержится повышенное по сравнению с фоном количество обменных оснований. В почвах г. Минска сумма обменных кальция и магния примерно в 40 % проб более чем вдвое превышает фоновое значение. Наибольшими изменениями ППК отличаются почвы промышленной и селитебной застройки. Изменение содержания обменных оснований сопровождается увеличением сорбционной способности почв к загрязняющим веществам. Максимальные значения емкости поглощения достигают 21–27 мг-экв/100 г (при фоновых в пределах 6–9). Насыщенность основаниями достигает 95–99 % [153].
Увеличиваются в почвах городов концентрации подвижных форм питательных элементов: фосфора, калия, легкогидролизуемого азота и серы, хотя уровни содержания могут существенно варьировать. Это связано, с одной стороны, с общими тенденциями трансформации физико-химических свойств городских почв, с другой – со спецификой источников воздействия и составом поступающих в окружающую среду загрязняющих веществ.
В высоких количествах в городских почвах содержатся тяжелые металлы. К настоящему времени этот вид трансформации почв хорошо изучен, при этом установлено, что металлы поступают в почву в основном из атмосферного воздуха и с твердыми отходами, включая золу. Далее они вовлекаются в биологический круговорот и вызывают целый ряд негативных последствий. При максимальном проявлении процесса химического загрязнения почва теряет способность к продуктивности и биологическому самоочищению, происходит потеря экологических функций и гибель урбосистемы. Изменяется состав, структура и численность микрофлоры и мезофауны. «Перегрузка» почвы тяжелыми металлами может полностью или частично блокировать течение многих биохимических реакций. Тяжелые металлы уменьшают скорость разложения органического вещества почв.
В почвах городов наиболее контрастные аномалии тяжелых металлов приурочены к промышленным площадкам, локальным очистным сооружениям, местам складирования отходов. Часто до опасных уровней (выше ПДК) обогащены металлами почвы центральных старообжитых частей городов, где почвенный покров значительно преобразован, и верхние горизонты сформированы с участием отложений отходов производства и потребления.
Ландшафтно-геохимические исследования, проведенные на территории Восточного округа Москвы в 1989 и 2005 г., выявили пространственно-временные тренды накопления свинца в почвах и растениях. За указанный период валовое содержание свинца в почвах увеличилось в среднем в 2,2 раза, а вариабельность снизилась, что объясняется постепенным нивелированием различий в физико-химических свойствах городских почв. Региональный кларк валового свинца (8 мг/кг), при этом был превышен в 4,3 раза на момент первого обследования и 9,5 раза – второго. Замечено, что накопление свинца в почвах изменяется по функциональным зонам: крупные автомагистрали и промзоны > старые жилые кварталы > агроландшафты > внутрирайонные улицы > рекреационные зоны > новостройки. Очень высокая концентрация свинца наблюдалась в урбо-дерново-подзолистых почвах и урбаноземах старых жилых кварталов, что обусловлено максимальной сорбционной емкостью почв и длительным периодом антропогенного воздействия [154].
Изменение макро- и микроэлементного состава городских почв сопровождается трансформацией почвенно-геохимической структуры территории: резко возрастает радиальная дифференциация за счет накопления элементов в верхних горизонтах почв.
Как известно, в естественных условиях концентрация тяжелых металлов в почве повышается от автономных (элювиальных) к подчиненным (супераквальным) ландшафтам. Однако в условиях города эта закономерность может не проявляться. Как свидетельствуют данные, приведенные в таблице 21.13, наиболее высоким накоплением свинца отличаются почвы автономных ландшафтов. Это связано, с одной стороны, с более интенсивными нагрузками на природную среду в пределах автономных ландшафтов, с другой – со слабой подвижностью свинца в городских почвах.
Таблица 21.13
Среднее содержание свинца в почвах ландшафтов г. Минска [129]
| Род ландшафта | Объем выборки | Содержание свинца, мг/кг |
| Элювиальные | 23,4 | |
| Элювиально-аккумулятивные | 17,3 | |
| Собственно супераквальные | 15,1 | |
| Транссупераквальные | 19,5 |
Растительный покров. Отличительной чертой растительного покрова городских территорий является его неоднородность. Естественная растительность лесопарковых зон, пустырей сочетается здесь с культурными насаждениями парков, скверов, внутриквартальных посадок, а также с растительностью приусадебных участков, на которых выращивается сельскохозяйственная продукция.
Растения очень чутко реагируют на техногенные изменения состояния городской среды, однако изменение их химического состава – очень сложный и многофакторный процесс. Оно обусловлено видом растений, содержанием и формами нахождения элементов в почвах, грунтовых водах, атмосферном воздухе и осадках, ландшафтно-геохимическими особенностями территории и другими факторами, совместное действие которых зачастую нивелирует связь между интенсивностью техногенного воздействия и содержанием элементов в растительности.
Тем не менее, элементный состав растений, особенно содержание тяжелых металлов, является важным индикатором состояния городской среды. Городские растения испытывают негативное воздействие значительного числа веществ-загрязнителей: оксидов серы, азота и углерода, тяжелых металлов, соединений фтора, фотохимического загрязнения, углеводородов и др. Наибольшую опасность для растений представляют выбросы в атмосферу диоксида серы, содержащегося в продуктах сгорания топлива, а также фтористого водорода, образующегося при производстве алюминия и фосфатов [94].
Воздействие на естественные растительные сообщества повышенных концентраций металлов инициирует процесс отбора среди разных видов растений. Однако, несмотря на огромное количество проведенных исследований, пока нет четкого понимания механизмов устойчивости у растений. Полученные результаты показывают, что устойчивость растений к воздействию металлов – генетически обусловленный феномен. Однако, в противоположность выдвигавшимся ранее предположениям, устойчивость растений не является металлоспецифичной. Это означает, что некоторые растения могут быть устойчивы к поступлению большого спектра металлов [102].
При сходных условиях произрастания и техногенного воздействия у живых организмов проявляются видовые особенности поглощения металлов. Растения одних видов развивают механизмы, которые предотвращают поглощение и перенос ионов; других – аккумулируют металлы, но при этом развивают механизмы уменьшения токсического эффекта; третьих – могут накапливать без вреда для себя металлы в больших количествах.
В загрязненной металлами среде у растений могут появляться видимые симптомы токсичности, такие как изменение окраски листьев, хлорозы и некрозы, наблюдаться угнетенный рост. Иногда реакция на негативное воздействие проявляется через отсутствие некоторых видов в растительном сообществе. Зачастую избыточное биологическое поглощение поллютантов вызывает угнетение ростовых процессов вплоть до усыхания растений.
Методы, основанные на изучении ответных реакций организмов на техногенное воздействие, делятся на две группы: биоиндикации и биогеохимического анализа. Биоиндикация анализирует морфологические, физиологические, продукционные и популяционно-динамические изменения растений. Биогеохимический анализ основан на исследовании элементного состава растений, изучении биогеохимических аномалий. Элементный состав и показатели аккумуляции тяжелых металлов растениями, являются важными индикаторами условий городской среды. В научной литературе широко представлены данные о накоплении тяжелых металлов в растительности на территории городов и в зонах влияния различных источников загрязнения.
При выявлении биогеохимических аномалий анализируется химический состав растений, произрастающих в городских условиях. В качестве биоиндикаторов чаще всего используются листья, молодые побеги, кора наиболее распространенных в городе видов древесных растений, подстилка (опад), при наличии – мох. Для индикационных целей обычно используют доминирующие на территории города породы деревьев, чаще всего тополь, липу, березу. Техногенные соединения поступают в растения механическим путем из атмосферного воздуха и в растворенном виде из загрязненных почв. В атмосферном воздухе основная доля металлов содержится в составе аэрозолей, которые выпадают с осадками на растительный и почвенный покров. Биогеохимические методы характеризуют состояние городской среды в теплое время года, в период вегетации растений и достаточно активной водной миграции веществ, поступающих в растения из почв. Зимой растения выступают только как депонирующие поверхности.
Изучается на территории городов также накопление элементов в выращиваемой растениеводческой продукции. Как известно, сельскохозяйственная продукция, выращенная на загрязненных почвах, может содержать значительные количества тяжелых металлов [94, 155 и др.]. Выращивание продовольственных культур на территории городов и вокруг них стало важным занятием, обеспечивающим существование многих горожан. По оценкам [92], 15 % продовольствия, потребляемого в городах, производится городскими фермерами. В некоторых городах, как например, в Гаване, все свободное пространство, включая крыши домов и балконы, используется для выращивания продовольственных культур. Около 72 % городских семей в Российской Федерации выращивают продовольственные культуры на небольших садовых и дачных участках. В Беларуси выращивание сельскохозяйственной продукции – явление достаточно типичное как для малых, так и для крупных городов, включая промышленные центры. Выращивание плодовых культур, овощей, картофеля осуществляется на приусадебных участках в зонах индивидуальной застройки, а также на садово-огородных участках, размещенных как в пределах городов, так и в пригородных зонах. Кроме того, широко практикуется создание огородов на временно пустующих участках, в том числе в санитарно-защитных зонах предприятий и очистных сооружений.
Отбор проб растительного материала, как правило, производится в процессе комплексной ландшафтно-геохимической съемки, одновременно с почвенным опробованием. Пункты съемки закладываются обычно по равномерной сети с шагом 500 м. В районах интенсивных техногенных нагрузок (на промплощадках, в зонах влияния очистных сооружений и свалок) сеть съемки сгущается, закладываются дополнительные точки опробования.
Изучение содержания тяжелых металлов в древесных растениях городов Беларуси дало возможность достаточно четко выявить биогеохимические аномалии в зонах воздействия интенсивных техногенных источников. В частности установлено, что в листьях и побегах березы вокруг химического завода, в высоких концентрациях содержатся цинк, свинец, медь, хром, ванадий, марганец и никель, превышая фоновые содержания в 3-10 раз. Накопление тяжелых металлов в зонах воздействия предприятий по производству хрустального стекла – пример преобладающей роли атмотехногенного поступления техногенных веществ в растения. В наибольшей степени металлы аккумулируются в лесной подстилке, мхах, коре деревьев, которые их удерживают. При этом высокие уровни накопления металлов в растительности не всегда сопровождаются загрязнением почв, что связано с внекорневым поступлением элементов в наземные органы растений. Среди накапливающихся элементов преобладают свинец и цинк. Их содержание превышает фоновое во всех растительных образцах, при этом в 50 % проанализированных проб превышен порог токсичности по свинцу, в 18 % – по цинку [129].
Полученные данные биогеохимического анализа растениеводческой продукции (свекла, капуста, морковь, картофель), выращенной на территории промышленных центров городов Светлогорска, Полоцка, Березовки, свидетельствуют о широком диапазоне содержания тяжелых металлов в овощах, что объясняется различными уровнями загрязнения почв, разными ассоциациями накапливающихся в почвах элементов-загрязнителей и их подвижностью. Во многих случаях превышены санитарно-гигиенические нормативы содержания в овощах цинка, кадмия и свинца. Обращает на себя внимание отсутствие накопления свинца в корнеплодах овощей и клубнях картофеля, а также в капусте, отобранных на огородах в Березовке, что связано с малоподвижной формой свинца, присутствующего в почвах исследованных участков. При этом аномально высокое содержание свинца, кадмия и цинка в листовом салате обусловлено, вероятно, воздушным переносом поллютантов. Типичной проблемой выращивания сельскохозяйственных растений на приусадебных участках населенных пунктов Беларуси является нитратное загрязнение продукции, что обусловлено, прежде всего, бытовым загрязнением почв и грунтовых вод, а также избыточным внесением удобрений [129].
