«ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЁЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ПОЧВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ПО КАТЕГОРИЯМ ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ Г. ПЕТРОЗАВОДСКА) ...»

Федеральное государственное бюджетное учреждение наук

и Институт леса

Карельского научного центра РАН

На правах рукописи

НОВИКОВ Сергей Геннадьевич

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЁЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

ПОЧВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

ПО КАТЕГОРИЯМ ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ

(НА ПРИМЕРЕ Г. ПЕТРОЗАВОДСКА)

Специальность 03.02.08 – экология

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Федорец Наталия Глебовна Петрозаводск – Содержание Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Почвы в условиях урбанизации

1.2. Загрязнение городских почв тяжелыми металлами и серой

1.3. Этапы оценки загрязнения почв тяжелыми металлами

1.4. Способы ремедиации загрязненных почв

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1. Объекты исследования

2.1. Методы исследования

Глава 3. Пространственное распределение тяжелых металлов и серы в почвах г. Петрозаводска

3.1. Содержание свинца в почвах города Петрозаводска

3.2. Содержание цинка в почвах города Петрозаводска

3.3. Содержание никеля в почвах города Петрозаводска

3.4. Содержание хрома в почвах города Петрозаводска

3.5. Содержание меди в почвах города Петрозаводска

3.6. Содержание кобальта в почвах города Петрозаводска

3.7. Содержание марганца в почвах города Петрозаводска

3.8. Содержание серы в почвах города Петрозаводска

3.9. Общая статистика содержания тяжелых металлов и серы в почвах г. Петрозаводска

Глава 4. Морфологическое описание и систематика почв города Петрозаводска............... Глава 5. Химические свойства почв различных категорий землепользования на территории г. Петрозаводска

5.1. Оценка кислотности почв города Петрозаводска

5.2. Химические свойства почв на землях различного пользования

Глава 6. Радиальное распределение тяжелых металлов и серы в почвах различных категорий землепользования

Глава 7. Оценка суммарного загрязнения тяжелыми металлами почв г. Петрозаводска и обоснование проведения экологического мониторинга

Выводы

Список литературы

Введение В современном мире довольно большими темпами происходит увеличение антропогенной нагрузки на окружающую среду, что особенно проявляется на урбанизированных территориях. Интенсивная застройка, промышленная деятельность, высокая плотность автотранспорта на дорогах способствуют накоплению в биосфере различных поллютантов. Почва является важнейшей составляющей экосистемы, которая аккумулирует химические загрязняющие вещества. Среди многочисленных загрязнителей особое место занимают тяжелые металлы, они связываются с минеральными и органическими соединениями, что повышает общий уровень токсичности почвы. Тяжелые металлы опасны тем, что имеют способность к биоаккумулированию, то есть накоплению в тканях живых организмов и при избыточных концентрациях проявляют свои токсические свойства.

Становится очевидным, что в условиях городов проведение экологического мониторинга почв для контроля концентраций поллютантов и оценки экологического состояния территории является актуальной задачей.

На территории города Петрозаводска ранее проводились исследования некоторых экологических характеристик почв (Федорец, Медведева, 2005;

Рыбаков и др. 2013). По данным Н. Г. Федорец и М. В. Медведевой (2005) в почвах центральных районов выявлены высокие значения содержания свинца, никеля, цинка, меди и марганца по отношению к ПДК, а также серы по отношению к региональному фону. Это вызвало интерес к более подробному изучению содержания тяжелых металлов и серы в почвах на всей территории города в зависимости от категории землепользования. По данным А.К. Евдокимовой (Евдокимова, 1986) при изменении типа землепользования с течением времени происходит накопление субстратов с различными свойствами, в том числе и тяжелых металлов.

Одной из важнейших экологических функций почвы является функция барьера на пути поллютантов по отношению к грунтовым водам. На территории Петрозаводска расположено более 20 действующих родников, которые пользуются популярностью у населения. Это делает актуальным изучение миграции тяжелых металлов по глубине почвенного профиля.

Целью работы является экологическая оценка загрязнения тяжелыми металлами и серой почв различных категорий землепользования на территории города Петрозаводска с применением картографического метода.

Задачи исследования:

Провести зонирование территории г. Петрозаводска, выделить категории землепользования и типы городских почв.

Определить валовое содержание и содержание различных форм соединений тяжелых металлов в почвах.

Составить карты современной экологической ситуации на территории г. Петрозаводска по уровню загрязнения почв тяжёлыми металлами.

тяжелых металлов в почвах.

мониторинга почв на территории г. Петрозаводска для охраны здоровья населения.

Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что для города Петрозаводска впервые выделены таксономические единицы городских почв, выявлены особенности их антропогенной трансформации и построены картосхемы их загрязнения тяжелыми металлами (Pb, Cu, Ni, Co, Zn, Cr, Mn), дана экологическая оценка комплексного загрязнения ассоциацией тяжелых металлов почв на исследуемой территории.

проводимых исследований ГИС-технологий позволило получить достоверные данные и объективно отобразить экологическое состояние почв на территории г. Петрозаводска. Результаты исследования могут быть использованы для разработки рекомендаций, направленных на оздоровление и сохранение окружающей среды.

представлены и доложены на Международной научно-практической природопользование и инновации» (Петрозаводск, 2011); Международной научно-практической конференции «Ресурсный потенциал растениеводства – основа обеспечения продовольственной безопасности (Петрозаводск, 2012)»;

Международной научной конференции «XV Докучаевские молодежные чтения: Почва как природная геомембрана» (Санкт-Петербург, 2012);

Международной научной конференции «XVI Докучаевские молодежные чтения: Законы почвоведения: новые вызовы» (Санкт-Петербург, 2013); IV Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв», посвященной 150-летию В.И. Вернадского (Москва, 2013).

опубликовано 8 научных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.

На протяжении долгого времени почвоведы занимались, в основном, изучением естественных (природных) и сельскохозяйственных почв, уделяя меньше внимания почвам урбанизированных территорий. Показатели состояния почв, функционирующих в условиях города, являются интегральными, характеризующими экологическое и санитарное состояние окружающей среды. С другой стороны они представляют потенциальный источник вторичного загрязнения приземного слоя атмосферы, поверхностных и грунтовых вод (Методические рекомендации…, 1990;

Богдановский, 1994; Концепции современного…, 2008). В связи с вышесказанным, в настоящее время уделяется значительно большее внимание изучению почв населенных мест, в том числе и российскими исследователями (Долотов, Пономарева, 1982; Лепнева, Обухов, 1987;

Баканина, 1990; Агаркова, 1991; Геннадиев, 1992; Никифорова, Лазукова, 1991, 1995; Герасимова, 2003; Ковалева и др, 2012; Матинян, Бахматова, 2012).

Впервые понятие «городские почвы» было введено Бокгеймом (США) в 1974 году. Он определил городскую почву, как «почвенный материал, содержащий антропогенный слой несельскохозяйственного искусственного происхождения толщиной 50 см, образованный путем перемешивания, заполнения или загрязнения поверхности земли на городских и пригородных территориях» (Bockheim, 1974). Впервые работы, посвященные изучению городских почв, появились в 60-е годы (Зеликов, 1964; Земляницкий и др., 1962). Одни из первых крупных работ, в которых рассматривается роль почвы в городских экосистемах – это монография голландского ученого Винка «Ландшафтная экология и землепользование» (Vink, 1983) и монография Ф. Кроула «Городские почвы в городском ландшафте» (Craul, 1992).

Почвы в городе образуются под воздействием тех же факторов почвообразования, что и естественные (природные) почвы, но при этом одним из важнейших является антропогенный фактор (Федорец, Медведева, 2009; Козлова и др., 2006). Почвы урбанизированных территорий в результате нестабильных естественных и антропогенных нагрузок представляют собой сложные, быстро развивающиеся природноантропогенные образования (Гладков, 2007). Городские почвы резко отличаются от естественных по морфологическим признакам и физикохимическим свойствам. Для них характерно нарушение природных генетических горизонтов, отсутствие важного органогенного экранного слоя лесной подстилки, подщелачивание среды (Кухарук, Бульмага, 2011).

Городское строительство, подземные коммуникационные сети, деятельность человека создают эффект «теплового острова», что приводит к изменению температурного и водного режима почвы (Shi Bin et al., 2012). Почвы в условиях города сильно преобразованы, но всё же выполняют свои экологические функции, среди которых выделяют основные:

• способность почв обеспечивать произрастание зеленых насаждений, а также жизнедеятельность почвенных организмов;

• способность поглощать загрязняющие вещества и предотвращать их проникновение в почвенно-грунтовые воды и городской воздух;

• способность поддерживать биоразнообразие на территории города (Почва, город…, 1997; Ковалева и др., 2012).

Наибольший вклад в развитие учения о городских почвах в России (систематике, свойствах, экологических функциях) внесли ученые МГУ, в частности профессор М. Н. Строганова с соавторами (Почва, город, экология, 1997; Строганова и др, 1997; Stroganova et al., 1998; Строганова, 1998;

Stroganova, Prokofieva, 2000; Stroganova et al., 2005; Строганова, Раппопорт, 2005; Строганова и др., 2008).

В настоящее время в национальной классификации почв России (Шишов и др, 2004) отсутствует подробная систематика городских почв, что привлекает особое внимание почвоведов, занимающихся изучением урболандшафтов. Наиболее подробный вариант классификации городских почв (на примере г. Москвы) представлен в работе группы авторов «Почва, город, экология» (1997), где главной отличительной чертой городских почв от природных является наличие диагностического горизонта «урбик». Это поверхностный насыпной, перемешанный горизонт, часть культурного слоя с примесью антропогенных включений (строительно-бытового мусора, промышленных отходов) более 5%, мощностью более 5 см. Городские почвы разделены на группы: естественные ненарушенные, естественноантропогенные поверхностно-преобразованные, антропогенные глубокопреобразованные урбаноземы и почвы техногенных поверхностных почвоподобных образований – урботехноземов. Урбаноземы подразделяются на две подгруппы: 1) физически преобразованные почвы (урбанозем, культурозем, некрозем, экранозем); 2) химически преобразованные почвы (индустризем, интрузем). Среди урботехноземов выделяют подтипы:

реплантозем, конструктозем.

В 2011 г в журнале «Почвоведения» опубликована статья сотрудников факультета почвоведения МГУ имени М. В. Ломоносова (Прокофьева и др, 2011), где приводится еще один вариант систематики городских почв, составленный с использованием концепции городского почвообразования М.

Н. Строгановой (1997), а также рассматривается возможность ее включения в общую классификацию почв России. Авторы приводят описания диагностических горизонтов и выделяют основные типы почв: урбаноземы, культуроземы, рекреаземы, урбохемоземы, реплантоземы, конструктоземы и некроземы.

В современном мире интенсивно происходит увеличение площади урбанизированных территории, что ведет к геохимическим преобразованиям природы. В результате чего почвы подвержены риску загрязнения, одним из наиболее значимых видов которого является загрязнение тяжелыми металлами (Методические рекомендации…, 1982).

1.2. Загрязнение городских почв тяжелыми металлами и серой До 60-ых годов прошлого столетия важнейшими загрязнителями окружающей среды на урбанизированных территориях считались, главным образом, пыль, углекислый и угарный газы, окислы серы, азота, углеводороды, соединения фосфора, калия, синтетические органические вещества, радиоактивные изотопы (Ковалева и др., 2012), но в последующие года резко возрос интерес к изучению содержания тяжелых металлов в окружающей среде, ввиду увеличения сведений об их токсических свойствах.

В настоящее время опубликовано большое количество работ по изучению содержания тяжелых металлов в различных компонентах окружающей среды, в том числе почве. Многие российские ученые в своих работах рассматривают различные методы мониторинга и оценки загрязнения почв тяжелыми металлами, источники их поступления и формы нахождения в почве (Водяницкий, Добровольский, 1998; Водяницкий, 2005, 2008, 2012;

Пляскина, Ладонин, 2009; Ладонин, Карпухин, 2010, 2011; Ладонин, Водяницкий, 2012; Мотузова и др. 2011).

Почва является одним из основных концентраторов тяжелых металлов в биосфере, которые представляют собой специфическую группу особо токсичных поллютантов. Следует отметить, что тяжелые металлы могут являться причиной заболеваний человека. Среди них сердечно-сосудистые расстройства, тяжелые формы аллергии. Тяжелые металлы обладают эмбриотропным и канцерогенным свойствами. Они являются генетическими ядами, поскольку аккумулируются в организме с отдаленным эффектом действия (Тяжелые металлы…, 2003).

Довольно не однозначен вопрос нормирования содержания тяжелых металлов в почве, а точнее установления предельно допустимых концентраций (ПДК). Существуют различные определения ПДК. Некоторые авторы определяют ПДК, как концентрацию тяжелых металлов, которая при длительном действии на почву не вызывает каких-либо патологических изменений или аномалий в ходе биологических процессов, а также не приводит к накоплению токсических элементов в растениях и не может нарушить биологический оптимум для животных и человека (Ильин, 1991;

Прохорова, Матвеев, 1996). Так же в литературе встречается определение:

“ПДК – это такое содержание вредного вещества в окружающей среде, которое при постоянном контакте или при воздействии за определенный промежуток времени практически не влияет на здоровье человека и не вызывает неблагоприятных последствий у его потомства” (Орлов и др., 2002). Ю. Н. Водяницкий (2011) называет более точным определение, предложенное В. А. Большаковым (2004) с соавторами: “ПДК – гигиенический норматив, концентрация вещества в водной или воздушной среде, почве, продуктах питания, которая не должна оказывать негативных воздействий на сопредельные среды, на организм человека…”. ПДК тяжелых металлов в почвах рассматриваются исследователями как непостоянные относительные величины, которые зависят от почвенно-экологических факторов в конкретном регионе, ввиду чего невозможно разработать единые значения ПДК для различных регионов (Елькина, 2007).

Среди источников тяжелых металлов выделяют естественные (природные) и техногенные (Bheemalingeswara, 1991; Ильин, 1991). Главным естественным источником являются горные породы (осадочные магматические, метаморфические), на продуктах выветривания которых формируется почвенный покров (Ковда и др., 1959; Веригина и др, 1964;

Богдановский, 1994). Также к природным источникам тяжелых металлов относятся космическая и метеоритная пыль, вулканические газы (Ковда, 1985) и биологический круговорот в системе почва - высшее растение (Микроэлементы…, 1973).

Установлено, что техногенные источники тяжелых металлов являются основными (Альтшулер, Ермаков, 1976; Назаров, 1980), к ним относятся предприятия цветной и черной металлургии; промышленные производства;

электростанции и ТЭЦ, сжигающие уголь; сжигание различных видов топлива, автотранспорт, минеральные и органические удобрения и др.

(Обухов, Ефремова, 1988; Nriagu, Pacyna, 1988; Ильин, 1991; Сериков, 1991;

Pacyna, Pacyna, 2002).

кристаллической решетке первичных и вторичных минералов, поглощенные минеральными и органическими веществами; в органическом веществе, в минеральными коллоидами почвы; в растительных остатках и микробных клетках; в форме труднорастворимых комплексов с органическим веществом и т.д. (Кадацкий и др. 2001). В свою очередь в агрохимии выделяют четыре формы: водорастворимые формы; подвижные формы, показывающие потенциально-подвижные или активные и валовое содержание, которое в незагрязненных почвах обусловливается наличием этих элементов в материнской породе и определяется генезисом, фациальными различиями, а также процессами почвообразования (Ладонин, 2002). Как правило, при экологическом мониторинге техногенно загрязненых почв, принято определять валовое содержание тяжелых металлов, а также извлекаемых смесью крепких растворов кислот. Определение содержания подвижных форм желательно проводить в случае высоких их валовых количеств в почве, а также, когда необходимо характеризовать миграцию металловзагрязнителей из почвы в растения (Методические указания…, 1992). По нормативным документам инженерно-экологических изысканий (Свод правил…, 1998) предусмотрено обязательное определение показателей загрязнения почв тяжелыми металлами, ввиду их индикационного значения.

Если их концентрации не превышают фоновые, то исследования на предмет других видов загрязнения не проводят (Стурман, 2003). Фоновым содержанием тяжелых металлов принято считать их концентрацию в почве, сопоставление с состоянием которой позволяет установить и оценить превышение естественного уровня содержания контролируемых элементов и загрязнение почв на локальном, региональном или глобальном уровнях (Оценка почв…, 2001). На подвижность тяжелых металлов в почве влияют многие факторы. Установлено, что тяжелые металлы образуют с органическим веществом почвы труднорастворимые соединения (Ramakrishnaiah, Somashekar, 2002; Джувеликян, 2005). Главную роль в связывании катионов металлов играют гуминовые вещества (Демин, 1994), которые взаимодействуют друг с другом на основе явлений ионного обмена, сорбции, хелатообразования, коагуляции и пептизации (Байдина, 1994).

Большое влияние на поведение тяжелых металлов оказывает кислотность почвы (Зырин, 1968; Беус, 1976). При нейтральной и слабощелочной реакции среды образуются труднорастворимые соединения: гидроксиды, сульфиды, фосфаты, карбонаты и оксалаты тяжелых металлов. При возрастании кислотности в почве идет обратный процесс – труднорастворимые соединения переходят в более подвижные, при этом повышается подвижность многих тяжелых металлов. Важно отметить, что существует ряд металлов, подвижность которых при нейтрализации почвы возрастает. К ним относятся молибден и хром, которые способны в слабокислой и щелочной среде образовывать растворимые соли (Алексеев, 1987). Подвижные формы тяжелых металлов имеют свойство мигрировать по почвенному профилю. А.

И. Перельман (1979) выделяет и подробно рассматривает четыре основных вида миграции химических элементов: механический, физико-химический, биогенный и техногенный. А. И. Перельман является основателем учения о геохимических барьерах, которые определены как участки земной коры, где на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов, ведущее к их накоплению.

В настоящее время проведены исследования содержания тяжелых металлов в почвах различных городов России. На территории г. Москвы отмечают высокое содержание свинца, цинка и меди, как в промышленной зоне, так и на территории парков (Почва, город, экология, 1997; Плеханова, 2000; Гавриленко и др, 2013). Довольно подробно изучены почвы г. СанктПетербурга, самого крупного города северо-запада России. По данным сотрудников ФГУ ГП «Урангео» территория Санкт-Петербурга характеризуется площадным загрязнением ртутью, свинцом, цинком, кадмием, медью, а так же отмечены локально высокие уровни содержания мышьяка, молибдена, сурьмы, никеля, кобальта и висмута (Горький, 2007). В почвах г. Ставрополя среди исследуемых элементов (Zn, Pb, Cd, Cu) отмечены высокие уровни содержания цинка в отдельных районах города (Костенко, Лысенко, 2012). На территории г. Новочеркасска выявлены локально высокие уровни содержания свинца (Малышева, Павлова, 2012). В почвах г. Иркутска изучали содержание подвижных форм тяжелых металлов (Zn, Cd, Ni, Co, Pb, Cu) и выявили повышенные значения по свинцу, цинку и кадмию (Козлова и др., 2006). В результате изучения тяжелых металлов (Cu, Zn, Pb, Co, Cd, Ni, V, Mn) в почвенном покрове г. Северодвинска, установлено, что основными поллютантами являются Pb, Cu, Zn, Cd, Ni, при этом почвенный покров промышленной зоны имеет большую степень загрязнения, чем почвенный покров селитебной зоны (Коробицина и др., 2013). Как правило, загрязнению тяжелыми металлами больше подвержены промышленные районы города. Однако при исследовании почв г.

Архангельска более высокие показатели суммарного загрязнения выявлены в селитебной зоне, чем в промышленной (Попова, Пилюгина, 2009). Авторы объясняют это «молодым возрастом» промышленного района и отмечают на всей территории города повышенные концентрации цинка и свинца.

Опубликованы данные о содержании тяжелых металлов в почвах городов Украины: на территории Киева выявлены высокие значения по содержанию свинца, хрома, цинка и меди (Жук, 2004); в почвах г. Мариуполя отмечены повышенные концентрации меди и свинца (Шеховцева, Мальцева, 2010).

Изучено в динамике загрязнение тяжелыми металлами почв г. Алма-Аты, самого крупного города Казахстана (Мынбаева, Макеева, 2011). Активно изучается загрязнение городских почв в Китае: Пекин (Wei, Yang, 2010), Гонконг (Luo et al., 2011), Гуанчжоу (Lu et al., 2007), Шанхай (Shi et al., 2008).

Подробно изучено пространственное загрязнение почв города Сюйчжоу с применением различных статистических методов (Xuesong Wang, 2013). Wei B. G. и Yang L. S. в своей работе (2010) обобщают данные полученные за последние десять лет при изучении загрязнения почв тяжелыми металлами различных городов Китая. Они отмечают высокие уровни содержания Cr, Ni, Cu, Pb, Zn и Cd в городских почвах, а так же подчеркивают значительное содержание Cd, Hg и Pb в сельскохозяйственных почвах. Выявлены повышенные уровни содержания Cd, Cu, Pb и Zn в почвах на обочинах дорог северной Англии (Akbar et al., 2006). В почвах Стокгольма, крупнейшего города Швеции, выявлены высокие концентрации Pb, Hg и в меньшей степени Cd, Cu, Zn (Oborn, Linde, 2001). В связи с вышесказанным можно сделать вывод, что на урбанизированных территориях наиболее часто отмечаются высокие уровни содержания свинца, цинка, кадмия и меди.

Особую роль среди поллютантов играют соединения серы (оксиды серы, сероводород), которые в больших количествах (95%) содержатся в промышленных выбросах (Влияние атмосферного…, 1990). При длительном поступлении техногенной серы в экосистему почва становится токсичной для роста и развития растений, более того, становится источником загрязнения окружающей среды (Михайлова и др., 2007). Важно отметить, что в чистом виде сера (элементная) нетоксична (Федорец и др, 2008). Сера может служить индикатором антропогенного воздействия на природную среду и косвенным показателем эмиссий тяжелых металлов, так как является их спутником (Шильцова и др, 2008). В ходе исследования почв г. Иркутска обнаружено неравномерное распределение серы по почвенному профилю.

Выявлены высокие концентрации элемента в растительном опаде, а также в горизонтах Bt, Вf и BC, что исследователи связывают с хорошей водной миграцией серы и наличием в профиле адсорбционных барьеров (Михайлова и др., 2007). Отмечены высокие уровни содержания диоксида серы вблизи электростанции Ровинари, где в качестве топлива используется уголь (Balaceanu et al, 2011).

1.3. Этапы оценки загрязнения почв тяжелыми металлами Одним из важнейших этапов изучения загрязнения почв, выявления аномальных зон с высокой концентрацией поллютантов, а также определения источников загрязнения является составление эколого-геохимических карт.

Анализ экологической обстановки не отделим от картографирования. Карта была и остается наиболее эффективным способом показа любых явлений, характеристики которых изменяются в пространстве (Стурман, 2003). Для получения репрезентативных результатов необходимо корректно провести отбор почвенных проб со всей исследуемой территории.

Существуют разные мнения по поводу глубины отбора почвенных проб для химического анализа. Руководствуясь ГОСТ, пробоотбор рекомендуется совершать из верхнего горизонта 0-20 см (ГОСТ-12071, 1972;

ГОСТ 17.4.4.02–84, 1984). Однако для составления эколого-геохимических карт В. И. Стурман (2003) рекомендует проводить отбор образцов почвы из верхнего десятисантиметрового слоя. При изучении загрязнения тяжелыми металлами почв г. Киева исследователями установлено, что оптимальной глубиной опробования городского почвенного покрова является 0-5 см (Жук, 2004). Способ отбора проб зависит от целей исследования, наиболее распространенным является метод «конверта» со сторонами 5-10 м (Афанасьев и др., 2001). В результате чего с пробной площади отбирается одна смешанная проба, состоящая из пяти единичных, отобранных по углам и в центре «конверта». Для составления картосхем важно зафиксировать географические координаты каждой пробной площади (Федорец, Медведева, 2009).

После отбора почвенных проб и определения в них содержания тех или иных поллютантов, создают моноэлементные карты и карты суммарных показателей загрязнения. Для этого используют различные ГИС-продукты, позволяющие создавать системы конкретной целевой ориентации (Toshiaki U., Awadh K. Sah., 2002; Шустин, 2004). Наиболее популярными из них являются ArcGIS, MapInfo, ArcView и др. Существуют различные геостатистические методы интерполяции пространственных данных: общего среднего, скользящего среднего, ближайшего соседа, обратных расстояний, сплайн-функция Лапласа, обычный кригинг и др. Большинство исследователей, сравнивая данные методы, находят незначительные различия точности, поэтому не выделяют какой-либо конкретный метод для построения карт почвенных свойств (Laslett et al., 1987; Gotway et al., 1996;

Utset et al., 2000). Однако в результате проведенных исследований (Ahmad Shukri Y. et al, 2013) кригинг признан лучшим и наиболее надежным методом при интерполяции свойств почвы, а также при построении геохимических карт, фактической основой которых являются точечные данные (Озерский, 2007). Термин «кригинг» впервые ввел Матерон (1968) в честь ученого D.

Krige. Принцип метода состоит в определении весов значений переменной в окрестных точках для оценки значения переменной в искомой точке или области. При этом вес каждой точки определяется по вариограмме (Сидорова, 2009). Более подробно кригинг в качестве интерполятора изучен в работе Fatima-Zohra (2006), где приведены преимущества и недостатки данного метода. Важно отметить, что в соответствии со справочным материалом программного пакета ArcGIS, при использовании кригинга в качестве предиктора, то есть для построения прогнозной (тематической) поверхности, не требуется, чтобы данные имели нормальное распределение.

Существуют различные формы кригинга: ординарный, простой, универсальный, дизъюнктивный и др. Наиболее часто исследователи используют ординарный кригинг. Его особенность заключается в том, что среднее значение параметра неизвестно. Для точек (областей), где проотбор не осуществлялся, значения рассчитываются как линейная комбинация исходных данных ближайших точек (Goovaerts, 1997). Таким образом, наибольшим влиянием на каждую точку интерполируемой поверхности обладают более близкие к ней точки. В результате создается прогнозная поверхность или картосхема исследуемого явления.

исследователями для построения различных экологических карт: картосхемы содержания валовых и подвижных форм микроэлементов в почвах разных природно-климатических зон Украины (Самохвалова и др., 2012);

картосхемы содержания поллютантов в снежном покрове г. Дубна (Саватеева и др., 2007); картосхемы содержания тяжелых металлов в листьях зеленых насаждений Василеостровского района г. Санкт-Петербурга (Беляков, Макарова, 2012) и многих других.

На заключительном этапе исследования дается полная оценка уровня химического загрязнения почв изучаемой урбанизированной территории.

Она проводится по показателям, разработанным при сопряженных геохимических и гигиенических исследованиях окружающей среды городов.

К таким показателям относятся: коэффициент концентрации химического вещества (Kc) и суммарный показатель загрязнения (Zc) (Федорец, Медведева, 2009). Коэффициент концентрации лежит в основе расчетов показателя «Zc» и рассчитывается по общепринятой формуле: Сi/Ciф, где Ciф и Сi – фоновое и фактическое содержание i-ого элемента в почве (Сает, Смирнова, 1983; Сает и др., 1990). Варианты расчета показателя суммарного загрязнения (Zc) подробно описаны в статье Ю. Н. Водяницкого (2010), где также предложено учитывать разную токсичность тяжелых металлов и среднее геометрическое коэффициентов концентрации. При расчете показателя «Zc» не рекомендуется учитывать коэффициенты концентрации меньше 1, так как это противоречит понятию загрязнения (Выборов и др., 2004). В 2011 году Ю. Н. Водяницкий и А. С. Яковлев предлагают совершенно иной способ оценки загрязнения территории тяжелыми металлами. Главная особенность его заключается в том, что обследуются не только верхние слои почвенного покрова на урбанизированной территории, а весь почвенный профиль на глубину до 1 м (Водяницкий, Яковлев, 2011). В формулу Саета (Zc) вводится дополнительный показатель Cпедон – средневзвешенное количество металла в профиле. Спедон = Сi hi i : hi i, где Сi – содержание металла, hi – мощность и i –плотность i-слоя почвы.

Таким образом формула суммарного загрязнения по почвенному профилю имеет вид Zc = (Спедон : Cфон) – (n – 1). Авторы объясняют такой подход тем, что при оценке только верхнего слоя почв суммарный показатель загрязнения может достигать абсурдно высоких величин, в несколько раз превышающих верхнюю границу Zc = 128, в то время как при оценке состояния всего почвенного профиля показатель Zc не выходит за верхний предел.

Полученные расчетным путем значения суммарного показателя загрязнения (Zc) сопоставляют с ориентировочной оценочной шкалой уровней и категорий опасности загрязнения почв. При величине Zc равной почва относится к категории «чистой», 0-16 – относится к категории загрязнения «допустимой», 16-32 – к категории загрязнения «умеренно опасной». Каждой категории соответствует свой уровень изменения показателей здоровья населения (Гигиеническая оценка…, 1999). На территориях промышленных центров и крупных городов не редко отмечаются высокие уровни суммарного загрязнения (Пляскина, Ладонин, 2009; Горький, 2007). В связи с чем поднимается вопрос о возможных способах ремедиации и восстановлении загрязненных почв.

1.4. Способы ремедиации загрязненных почв На современном этапе развития человечества проблема ремедиации загрязненных почв становится все более актуальной. Особое внимание уделяется ремедиации сельскохозяйственных почв, т.к. растительная продукция имеет свойство без каких-либо визуальных признаков содержать опасные для человека и животных количества тяжелых металлов (Черных и др., 1995). Для стабилизации содержания тяжелых металлов в загрязненной почве в настоящее время во всем мире начинают применяться технологии, биотехнологические, фиторемедиационные, технические и адсорбционные методы, которые подразделяются согласно месту применения и используемым технологиям: «in situ» – без удаления загрязненной почвы с участка и «ex situ» – снятие загрязненного слоя почвы и его очистка вне участка загрязнения (Кузнецова и др, 2012).

Хорошим адсорбентом тяжелых металлов являются цеолитсодержащие минералы, в связи с уникальным строением кристаллической решетки, характеризующейся развитой внутренней поверхностью и строго определенным размером входных окон (Глазкова и др., 2003). По результатам Shenber и Johanson (1992) внесение цеолита в почву уменьшает накопление цезия в тканях озимой пшеницы до 8 раз. Стоит отметить, что природные цеолиты лучше адсорбируют одновалентные катионы, чем двухвалентные. Это свидетельствует о преимущественно ионном механизме адсорбции (Phillipsa, 1998). Использование природных сорбентов выгодно тем, что они являются экологически чистым сырьем широкого действия (Спиридонов и др., 1999; Лобода, 2000), их применение доступно и недорого.

Эффективным приемом ремедиации загрязненных почв является известкование. В нейтральной и щелочной среде происходит образование гидроокисей и карбонатов, что приводит к уменьшению концентрации подвижных форм тяжелых металлов (Алексеев, 1987). По данным российских авторов (Гришина, Иванова, 1997; Раскатов, 1999) установлено, что при внесении в почву извести и удобрений увеличивается валовое содержание тяжелых металлов и снижается концентрация подвижных форм.

Показателем эффективности извести является содержание и растворимость СаО (Самохвалова, 2006). При внесении в почву цементной пыли возрастает емкость катионного обмена, изменяется плотность заряда катионов, увеличивается содержание подвижных макроэлементов (Куликов, 1999).

Применяемые для увеличения pH материалы, такие как мел, цементная пыль, цеолиты легко добываются и перерабатываются при относительно небольших затратах, не вызывая серьезных экологических нарушений (Манджиева и др., 2011).

В настоящее время развивается относительно новое направление по микробиологическая ремедиация. Данный метод описан в работе ряда исследователей (Багаева и др. 2013), где рассматриваются механизмы биоаккумуляции и реутилизации тяжелых металлов различными штаммами бактерий, грибов и микробных сообществ. Исследователи выделяют роль арбускулярно-микоризных грибов (АМГ) в загрязненных почвах, так как они создают благоприятные условия для растений в стрессовых условиях. В гифах и спорах АМГ обильно продуцируется гликопротеин – гломалин, который эффективно связывает и изолирует широкий набор металлов. Также имеются данные об участии фермента тирозиназы в хелатировании и детоксикации меди в АМГ.

Одним из способов эффективной очистки почв от тяжелых металлов является фиторемедиация. Данный метод заключается в выращивании на загрязненной почве культур устойчивых к тяжелым металлам, хорошо накапливающих их в побегах, обладающих высокой продуктивностью, с последующим скашиванием и удалением растительной массы (Прасад, 2003).

Основная идея использования растений для очистки почвы известна очень давно, невозможно выделить какой-то один первоисточник (Raskin et al., 1997). Первые научные исследования по фиторемедиации были проведены в 50-х годах в Израиле, однако активное развитие метод получил только в 80-х годах XX века (Pilon-Smits, 2005). Многие растения способны накапливать тяжелые металлы в своих вегетативных органах и тканях. В случае, если уровень накопления Co, Cu, Cr, Ni, Pb выше 1000 мг/кг абсолютно сухой гипераккумуляторами. Если же накопление не достигает установленных границ, растения называют умеренными аккумуляторами (Титов и др., 2007).

Большинство растений, относящихся к гипераккумуляторам Cd и Zn, накапливают в малых количествах Pb даже при высоких его концентрациях в почве (Vogel-Mikus et al., 2005).

В ходе модельного опыта (Степанова, Нашивочникова, 2011) установлено, что для извлечения избыточного количества меди и кадмия из почвы подходит подсолнечник карликовый (Helianthus sp.), медь хорошо аккумулируется в тканях календулы лекарственной (Calendula officinalis) и люпина однолетнего (Lupinus angustifolius). Культивирование рапса ярового (Brassica aspеrifolia) существенно снижает содержание свинца, кадмия, никеля в почве. Сорго зерновое значительно снижает концентрацию мышьяка в почве (Плешакова и др., 2010). По результатам исследований Е.

П. Проценко и Н. П. Неведрова (2013) фитоэкстракция цинка горчицей сербской (Brassica juncea L.) на черноземе типичном проявляется лишь при высоких уровнях загрязнения (10 ПДК), в то время как на серой лесной почве накопление цинка в надземной биомассе происходило более интенсивно при различных уровнях загрязнения (1-10 ПДК), то есть горчица сербская в большей степени подходит для фиторемедиации загрязненных цинком серых лесных почв, чем чернозема типичного.

Фиторемедиация не требует больших усилий и затрат по сравнению с другими методами. В США использование растений обходится примерно в десять раз дешевле, чем техническое удаление загрязненного слоя почвы и его замена на экологически чистый (Glass, 1999).

В связи с вышесказанным, можно сделать вывод, что проблема изучения экологического состояния почв на урбанизированных территориях особенно актуальна. Так как именно в условиях города велика вероятность негативного воздействия поллютантов на здоровье людей, ввиду высокой плотности населения. Особенно это касается почв природных экосистем Севера, у которых способность к самоочищению резко снижается в условиях урбанистического пресса. Нами проведено исследование почв города Петрозаводска на содержание тяжелых металлов и серы, а также проанализировано распределение данных элементов по почвенному профилю.

Объектами исследований являлись антропогенно преобразованные почвы города Петрозаводска, которые в настоящее время классифицируются как «городские почвы».

Город Петрозаводск – столица республики Карелия с развитой инфраструктурой и сложными градостроительными постройками. По оценке Федеральной службы государственной статистики, численность постоянного населения Петрозаводска на 1 января 2013 года составляет 268946 человек.

Общая площадь города Петрозаводска – 135 кв. км. Особенностью местоположения города Петрозаводска является его большая протяженность вдоль Петрозаводской губы Онежского озера с северо-запада на юго-восток и расположение центральной части города между долинами р. Лососинки и Неглинки (Путеводитель экскурсий…, 1982). Петрозаводск занимает восточную окраину Балтийского кристаллического щита и расположен на западном террасированном склоне Петрозаводской губы Онежского озера в пределах полупогребенной тектонической депрессии. Климат города Петрозаводска умеренно-континентальный. На территории города выпадает в среднем до 650 мм осадков в год. Преобладающие ветры – юго-западные и северо-восточные. Средняя годовая температура 2,2 °C (Климат…, 1982).

Изменение температуры на поверхности почвы в течение года значительно больше, чем воздуха. Средняя месячная температура поверхности почвы в январе-феврале равна –11 °C, в июле +19 °C. Основными лесообразующими породами пригородных лесов являются сосна и ель. На территории города много искусственных насаждений – парков, скверов, доминирующими породами в которых являются тополь, береза, ольха, липа.

Территория города Петрозаводска является областью контакта двух почвенно-ландшафтных зон: подзолистых почв от песчано-супесчаного до среднесуглинистого гранулометрического состава и торфяных и торфяноглеевых на глинах и тяжелых суглинках. Морфологическое строение городских почв весьма разнообразно. Отмечаются как сильнонарушенные естественные почвы – трансформированные на глубину более 50 см, так и слабонарушенные – нарушения затрагивают только гумусовоаккумулятивные горизонты. В верхнем слое, как правило, выделяются антропогенно преобразованные горизонты «урбик». Однако на территориях, удаленных от городского массива, почвы сохраняют своё естественное строение.

антропогенного воздействия. Так, почвы парков и скверов испытывают наименьший антропогенный пресс. Они сформировались на естественных природных почвах, без частых перемешиваний в поверхностных горизонтах, с разовым внесением органических и минеральных удобрений во время посадки деревьев. Эволюция этих почв проходила в основном под воздействием естественных природных процессов: ежегодного поступления органического вещества с лиственным опадом, промывным водным режимом, характерным для данной природной зоны и климатом города. В то время как почвы промышленных зон, свалок, вдоль автомагистралей и механическое перемещение генетических горизонтов, засыпание, погребение или загрязнение почвы материалами урбогенного происхождения (строительный мусор, бытовые и промышленные отходы, аэротехногенные выбросы, поступление противокриогенных веществ).

Административные границы города Петрозаводска включают в себя всё побережье Петрозаводской губы Онежского озера. Однако основной массив урбанизированной территории находится на юго-восточном побережье, где и проводились наши исследования. Северо-восточная часть представлена в основном еловыми и сосновыми лесами.

Как известно, одним из основных источников загрязнения почв являются аэротехногенные выбросы промышленных предприятий и автотранспорта. В таблице 1 представлено содержание взвешенных веществ (Государственный доклад…, 2011, 2012) в период проведения наших исследований.

Характеристики состояния загрязнения воздуха на территории города Петрозаводска за 2011-2012 гг.

металлообработкой, лесной и деревообрабатывающей, строительной, пищевой, лёгкой и полиграфической отраслями. В настоящее время в связи со спадом производства многие промышленные предприятия прекратили своё существование, но за довольно большой срок их эксплуатации в почве произошло накопление загрязняющий веществ, в том числе тяжелых функционировал в центре города с 1703 по 2008 год. Интенсивность и характер деятельности завода менялись неоднократно. Наиболее крупными промышленными предприятиями на территории города являются заводы «Авангард» и «Петрозаводскмаш», построенные в прошлом столетии.

Судостроительный завод «Авангард» в 2009 году был признан банкротом. На его месте основано предприятие ООО ПМЗ «Авангард» с сохранением судоремонту, изготовлению нестандартного оборудования и плавучих средств. «Петрозаводскмаш» в настоящее время входит в группу компаний машиностроительного дивизиона "РОСАТОМ" - ОАО "Атомэнергомаш" и занимается производством и поставкой корпусного, емкостного и другого оборудования для атомной, нефтехимической и целлюлозно-бумажной промышленности. На карте города (рис. 1.) показаны основные кадастровые районы, а так же наиболее крупные промышленные объекты, действующие как в настоящее, так и в прошлое время.

Районы города: 1. Центр. Центральный район; 2. Октябрьский; 3.Первомайский; 4. Железнодорожный; 5.

Перевалка; 6. Кукковка; 7. Голиковка; 8. Зарека; 9. Ключевая; 10. Сайнаволок; 11. Южная промзона; 12.

Птицефабрика; 13. ТИЗ «Усадьбы»; 14. Древлянка; 15. Университетский городок; 16. Рыбка; 17. Сулажгора;

18. Северная промзона; 19. Пески; 20. Соломенное.

Промышленные и энергетические объекты: I. Онежский тракторный завод (1703-2008 гг); II. ПМЗ «Авангард»; III. ПетрозаводскМаш; IV. Петрозаводская ТЭЦ; V. Шунгизитовый завод (в настоящее время неактивен) и другие производственные сооружения; VI. Промзона (Петрозаводский хлебокомбинат, Ликёроводочный завод «Петровский» и др.) С целью изучения загрязнения тяжелыми металлами и серой почв на территории города Петрозаводска, отобрано 96 смешанных почвенных проб из верхнего 10-ти сантиметрового слоя. Для наиболее репрезентативного отбора образцов на карту города нанесли сетку с размером ячеек 1 км 2. В условиях плотной городской застройки местность подвержена быстрым изменениями, большая часть почвы находится под асфальтовым покрытием, что делает невозможным отбор почвенных образцов строго по узлам сетки.

Она служила лишь ориентировочными границами, чтобы с 1 км2 был отобран как минимум 1 почвенный образец. Непосредственно выбор мест опробования проводился при выполнении полевых работ с учетом рекомендаций (Стурман, 2003), а именно:

• характерные точки в замкнутых и полузамкнутых пространствах • места с наиболее высокой вероятностью нахождения опасных веществ: несанкционированные свалки, места расположения опасных объектов, в том числе в прошлом;

• места наиболее вероятного поступления токсикантов из почвы в организм человека, т.е. игровые площадки в детских дошкольных учреждениях и во дворах, спортплощадки и школьные стадионы, Отбор почвенных проб осуществлялся с площадок 10*10 м, методом «конверта», то есть каждая проба состояла из почвы, отобранной по углам и в центре.

На каждой пробной площади проведен следующий перечень работ:

1. определены географические координаты по системе GPS;

2. отмечены близко расположенные дома, постройки, дороги и прочие элементы геотехсистемы;

3. определена категория землепользования;

4. выполнено описание растений;

5. заложены почвенные прикопки глубиной 10 см;

6. выполнено морфологическое описание почв;

7. проведен отбор смешанных проб почвы для химических анализов в лабораторных условиях.

На территории города выделяли следующие основные категории землепользования, в соответствии с рекомендациями (Почва, город…, 1997;

Федорец, Медведева, 2009):

(внутридворовые пространства, скверы, детские сады, школы и • земли общего пользования – промышленная зона (заводы, автохозяйства, ТЭЦ, склады, АЗС, крупные автодороги, аэропорты, • земли природно-рекреационной зоны (городские леса, лесопарки, парки, бульвары, скверы и т.д.);

• земли резерва (пустыри, свалки, карьеры).

В результате проделанной работы получили карту с нанесёнными землепользования (рис. 2).

В почвенных образцах определялись кислотно-щелочные свойства, валовое содержание тяжелых металлов (методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии) и серы (спектрофотометрический метод).

(Водяницкий, 2010):

Zc = n [(Кк1 Кт1)(Кк2 Кт2) … (Ккn Ктn)]1/n – (n – 1), где Ккn – коэффициент концентрации поллютанта, Ктn – коэффициент токсичности поллютанта.

Коэффициент концентрации поллютанта Кк рассчитывали по формуле:

где Ci – фактическое содержание полютанта, Ciф – фоновое содержание поллютанта.

Значения коэффициентов токсичности элементов представлены в таблице 2 (Водяницкий, 2008).

Классы опасности тяжелых металлов и металлоидов Важно отметить, что при расчете показателя Zc учитывались только коэффициенты концентрации > 1, так как учёт элементов со значением Kki < 1 противоречит понятию загрязнение (Выборов и др., 2004).

Для сравнения загрязнения урбанизированной территории с естественными почвами в качестве регионального фонового показателя использовали среднее содержание тяжелых металлов в минеральных подподстилочных горизонтах почв Карелии (Федорец и др., 2008). Кроме того, приведены уровни предельно допустимых концентраций (ПДК) валовых и подвижных форм тяжелых металлов в почве (Гигиенические нормативы…, 2006; Рэуце, Кырстя, 1986).

Для составления тематических карт пространственного распределения тяжелых металлов в почве и по показателю суммарного загрязнения Zc, проводили интерполяцию полученных данных при помощи программного пакета ArcGIS ArcMap по методу Крикинга (ординарный крикинг). При составлении шкал для картосхем в качестве верхней границы выбраны значения ПДК поллютантов и использован равномерный шаг.

После анализа и описания тематических карт, для определения типа почвы, а также с целью изучения радиального распределения валового содержания и различных форм соединений тяжелых металлов (извлекаемые вытяжкой «Aqua Regia», подвижные и водорастворимые формы), на территории города заложено 15 почвенных разрезов по 3 на каждой категории землепользования. На землях категории общего пользования, городской застройки и природно-рекреационной зоны места заложения разрезов определялись высоким содержанием того или иного поллютанта. На землях резерва и сельской застройки, за исключением одной точки, содержание всех изучаемых элементов находится в пределах ПДК, в данном случае разрезы заложены на пробных площадях, выбранных случайным образом. На карте отбора почвенных образцов (рис. 2) пробные площади, на которых заложены почвенные разрезы, выделены красным цветом. Глубина прикопок определялась глубиной залегания коммуникационных инфраструктур. Для идентификации городских почв использовали классификацию, предложенную учеными Московского Государственного Университета (Почва, город, экология, 1997). Для почв, сохранивших естественное строение, таксономическая принадлежность устанавливалась по региональной классификации (Морозова, 1991). Исследовались морфологические свойства почв – мощность горизонтов, строение, сложение, цвет, количество антропогенных включений, степень насыщенности корнями, характер увлажнения и гранулометрический состав. Цвет почвы определяли в соответствии со шкалой Манселла (Munsell Soil Color Charts). Почвенные образцы отбирали из каждого выделенного горизонта.

Из каждого выделенного почвенного горизонта проводили отбор образцов, в которых определяли:

• кислотно-щелочные показатели, содержание гумуса и элементов минерального питания (Агрохимические методы…, 1975, Аринушкина, • содержание тяжелых металлов методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии:

разложением в смеси концентрированных кислот (HNO3, HCl, HF);

в вытяжке «Aqua Regia» – смесь концентрированных азотной HNO и соляной HCl кислот, взятых в соотношении 1:3 по объёму (данный метод часто используется для извлечения общих концентраций тяжелых металлов при проведении мониторинговых подвижные формы Ni, Zn, Cr, Cu, Co, Mn в вытяжке аммонийноацетатного буфера при pH 4,6-4,8; Pb – 1 N раствора хлористого аммония (Руководство…, 1993);

водорастворимые формы в вытяжке бидистиллированной водой;

• валовое содержание серы спектрофотометрическим методом.

Статистическая обработка результатов проводилась при помощи программ Microsoft Excel 2003, Statistica 6 и включает в себя вычисление статистических параметров содержания тяжелых металлов в почвах - среднее арифметическое и геометрическое значения, медиана, верхний и нижний квартили, стандартная ошибка среднего, стандартное отклонение и коэффициент вариации.

Рис. 2. Точки отбора почвенных проб на территории города Петрозаводска Глава 3. Пространственное распределение тяжелых металлов и серы Для характеристики загрязнения почв города Петрозаводска применяли картографический подход. По данным о содержании каждого элемента построены тематические слои, которые наложены на карту территории города. Для получения репрезентативных результатов при интерполяции данных из набора значений исключали точки с экстремальными значениями, которые определяли по облаку вариограммы/ковариации, в соответствии с рекомендациями, изложенными в руководстве пользователя ArcGIS Geostatistical Analyst (Руководство…, 2001). Такие точки на тематических картосхемах выделены красным цветом.

Для характеристики среднего содержания тяжелых металлов в почвах города приведены среднее арифметическое и среднее геометрическое значения. Это связано с тем, что показатели концентрации элементов в почвах сильно варьируют и не подчиняются закону нормального распределения, в результате чего среднее арифметическое сильно зависит от небольшого числа образцов с максимально высокими значениями. В таких случаях более надежным и правильным будет использование среднего геометрического для оценки содержания элементов в почве (Shacklette, Boerngen, 1984; Kabala et al., 2009).

В качестве сравнения также представлены данные о содержании тяжелых металлов и серы в естественных лесных почвах республики Карелии (Федорец и др, 2008).

3.1. Содержание свинца в почвах города Петрозаводска На территории республики Карелии отмечено накопление свинца преимущественно в лесной подстилке – максимальное содержание более мг/кг. Это говорит о том, что свинец поступает на поверхность почвы аэротехногенным путем. Минеральные горизонты загрязнены свинцом слабо, среднее содержание – 15,5 мг/кг.

На картосхеме (рис.3) представлено содержание свинца в верхнем десятисантиметровом слое почв. Высоким содержанием свинца характеризуется северо-западная часть города с развитым промышленным сектором и, соответственно, большой антропогенной нагрузкой на почвы.

Здесь расположены районы: Северная промзона, Рыбка, Железнодорожный деревообрабатывающие предприятия: ООО «Карельский строгальный комплекс» и ЗАО "Петрозаводский ДОК", Петрозаводская ТЭЦ, Центр утилизации ЗАО "Карелия Металл". В почвах вышеназванных территорий содержание свинца варьирует от 20 до 126 мг/кг.

Значительно накопление свинца выявлено также в почвах районов, характеризующихся повышенной плотностью автомобильного трафика – это Центр, Первомайский и Октябрьский районы. В местах повышенного скопления автотранспорта (обочины крупных дорог, автогаражи) высокие уровни накопления свинца, вероятно, обусловлены использованием, до недавнего времени, бензина, содержащего тетраэтилсвинец. Это ядовитое антидетонирующая присадка к бензину. В результате получали этилированный бензин с высоким октановым числом. При использовании такого бензина один автомобиль выбрасывает в окружающую среду около кг свинца (Лыков, Логинов, 2006). Из-за высокой канцерогенной активности тетраэтилсвинца, этилированный бензин был запрещен в Евросоюзе с января 2000 г, в России запрет вступил в силу 15 ноября 2002 г (Постановление…, 2002).

В почвах городского парка «Ямка» (ранее парк Онежского тракторного завода), расположенного в самом центре города, выявлено одно из экстремально высоких значений содержания свинца – 202,8 мг/кг. Данная территория представляет собой естественное понижение рельефа между проспектом Карла Маркса и рекой Лососинкой. Как следует из устаревшего названия парка, на берегу реки находится Онежский тракторный завод, функционирующий до 2008 г. Профильная деятельность завода менялась неоднократно: в конце XYIII века здесь располагался Александровский пушечно-литейный завод, который использовал под свалку шлаков площадку, где в настоящее время обустроен парк (Ициксон, Лантратова, 2009).

вышеупомянутого завода, содержание свинца в почвах также высоко и составляет 142,2 мг/кг. По мере удаления от центра города наблюдается заметное снижение концентрации свинца в почвах.

Самым малозагрязненным свинцом, по сравнению с другими районами города, является микрорайон Древлянка, где его содержание не превышает 20 мг/кг.

Выявлено повышенное содержание свинца (50,4 мг/кг) в образцах почв частных огородов на территории района Соломенное, который значительно удален от промышленных предприятий Петрозаводска. Участки расположены вблизи автодорог, где почва подвержена воздействию автомобильных выбросов.

Таким образом, проведенные исследования показали, что наиболее высокое загрязнение свинцом почв выявлено на землях категории общего пользования (до 170,3 мг/кг) и городской застройки (до 441,8 мг/кг) – на территориях, прилегающих к промышленным предприятиям, крупным автодорогам и автогаражам.

Наименьшие показатели характерны для почв земель резерва (до 22, мг/кг), ввиду удаленности от центральных районов города. Также невысокие значения характерны для земель природно-рекреационной зоны, особенно для пробных площадей, расположенных в пригородных лесах. Здесь содержание свинца превысило ПДК (32 мг/кг) лишь на одной пробной площади, заложенной на территории небольшой несанкционированной свалки (53,8 мг/кг).

Высокие показатели отмечены в зеленой зоне центральной части города (102 мг/кг) и искусственно созданном парке «Ямка» (202,8 мг/кг).

По содержанию свинца в почве на территории города выявлено четыре пробные площади с экстремально высокими значениями:

• В микрорайоне Зарека, вблизи жилых домов и автогаражей – 441,8 мг/кг (земли городской застройки). При этом следует отметить, что в радиусе 500 м расположены 4 крупных промышленных объекта – Петрозаводский завод железобетонных изделий «Бетокон», Петрозаводский станкостроительный завод «Металлист», ликёро-водочный завод «Петровский» и Петрозаводский хлебокомбинат.

•В центральном районе города на землях природнорекреационной зоны в городском парке «Ямка» – 202,8 мг/кг.

• На берегу озера Четырехверстное в южной части города в микрорайоне Ключевая – 170,3 мг/кг. На площадке много строительного и бытового мусора, местные жители здесь несанкционированно моют автомобили.

• На территории комплекса автогаражей, находящегося в зеленой зоне города – 97,1 мг/кг.

Рис. 3. Картосхема содержания свинца в почвах города Петрозаводска Среднее содержание свинца в почвах города составляет 35,3 мг/кг, что незначительно превышает ПДК (32 мг/кг), но в 2 раза выше регионального фона, составляющего 15,5 мг/кг (Федорец и др., 2008). Рассчитанное нами среднее геометрическое значение содержания свинца в почвах Петрозаводска составляет 23 мг/кг, что близко к региональному фоновому показателю и значительно ниже ПДК. По диаграмме размаха (рис.4) видно, что большинство значений (75%) для каждой категории землепользования, находятся ниже уровня ПДК. Медиана по содержанию свинца в почвах на землях общего пользования (20 мг/кг), городской (20,9 мг/кг) и сельской (24,7 мг/кг) застройки несколько завышена по отношению к региональному фону, в то время как для почв природно-рекреационной зоны (18,3 мг/кг) и земель резерва (15,1 мг/кг) характерны значения, близкие к среднему содержанию элемента в почвах Карелии.

Рис. 4. Диаграмма размаха данных по содержанию свинца в почвах 3.2. Содержание цинка в почвах города Петрозаводска Накопление цинка на территории республики Карелии проявляется в лесной подстилке, среднее содержание – 63,2 мг/кг, что не превышает ПДК (300 мг/кг). В минеральных горизонтах средняя концентрация – 37,2 мг/кг.

Проявляется аэротехногенное поступление элемента.

Судя по картосхеме, представленной на рисунке 5, содержание цинка в почвах Петрозаводска не превышает ПДК (300 мг/кг) и колеблется от 18,6 до 136,5 мг/кг. Наиболее высокой концентрацией характеризуются почвы на землях городской застройки. Максимальное значение отмечено в Первомайском районе во дворе жилых домов – 136,5 мг/кг. На землях общего пользования максимальная концентрация цинка – 131,8 мг/кг выявлена на пробной площади, заложенной в южной части города на территории комплекса автогаражей. На землях сельской застройки максимальное значение – 106,6 мг/кг отмечено в районе Соломенного. В зеленой зоне города самый высокий показатель содержания цинка выявлен на обочине лесной дороги – 95,6 мг/кг, где население несанкционированно складирует бытовой мусор. На землях резерва концентрация цинка в почве менее мг/кг.

Рис. 5. Картосхема содержания цинка в почвах города Петрозаводска Петрозаводска составляет 69,9 мг/кг, что намного ниже ПДК (300 мг/кг), но превышает фоновый показатель (37,2 мг/кг). Среднее геометрическое значение – 63,5 мг/кг. Медиана концентрации цинка на всех выделенных категориях также выше уровня фона (рис. 6). На территории города прослеживается слабая тенденция к накоплению цинка на урбанизированной территории, включая промышленные зоны. Исключение составляют районы, удаленные от Центра города: Древлянка, Университетский городок, ТИЗ «Усадьбы». В целом почвы города не загрязнены цинком.

Рис. 6. Диаграмма размаха по содержанию цинка в почвах 3.3. Содержание никеля в почвах города Петрозаводска По всей территории республики Карелия отмечено довольно равномерное распределение никеля в лесной подстилке, среднее содержание – 13,6 мг/кг. В минеральных горизонтах концентрация элемента в среднем 27,5 мг/кг. Превышение ПДК (50 мг/кг) выявлено лишь в отдельных точках:

на побережье Белого моря, в Заонежье и на юго-западе республики.

Как видно на картосхеме (рис. 7) в целом по территории Петрозаводска проявляется тенденция к накоплению никеля в почвах центральной и южной части города, включая пригородные леса, а также в почвах, прилегающих к промышленным зонам города. Среднее значение концентрации никеля в почвах города (25,9 мг/кг) находится в пределах регионального фона, составляющего 27,5 мг/кг. Рассчитанное нами среднее геометрическое значение содержания никеля в почвах составляет 23,1 мг/кг, что также ниже уровня фона. Судя по диаграмме размаха данных (рис. 8), количество никеля в большей части почвенных проб (75%) находится ниже уровня ПДК ( мг\кг) независимо от категории землепользования. Следует отметить, что значение медианы содержания никеля в почвах города для всех категорий землепользования ниже уровня регионального фона.

Рис. 7. Картосхема содержания никеля в почвах города Петрозаводска В процессе исследований выявлена лишь одна пробная площадь (№57) на территории города с экстремально высоким значением содержания никеля, которое составляет 122,2 мг/кг. Данная точка заложена на землях общего пользования в южной части города вблизи железной дороги, которая используется для перевозки грузов с Петрозаводской нефтебазы.

Рис. 8. Диаграмма размаха по содержанию никеля в почвах Значения, превышающие ПДК (50 мг/кг), зафиксированы на двух пробных площадях, заложенных на землях общего пользования: в районе Соломенного вблизи деревообрабатывающих предприятий – 55,8 мг/кг и на территории промышленной зоны в районе Рыбка – 61,8 мг/кг. Области этих точек не выделены красным цветом на карте распределения никеля (рис. 7), так как превышение ПДК невысокое и на ближайших пробных площадях получены более низкие значения. Незначительно завышена концентрация никеля в почвах пригородных лесов на территории несанкционированной свалки бытового мусора – 53,6 мг/кг. На землях категории городской и сельской застройки, а также на землях резерва не зафиксировано значений, превышающих ПДК (50 мг/кг).

3.4. Содержание хрома в почвах города Петрозаводска На территории Карелии в лесных подстилках содержание хрома невысокое и не превышает ПДК (100 мг/кг), среднее содержание – 13,8 мг/кг.

В минеральных горизонтах концентрация элемента выше и в среднем составляет 4,3 мг/кг.

Содержание хрома в почвах города Петрозаводска варьируется от 7, до 79 мг/кг, что не превышает уровень ПДК (100 мг/кг). Основной массив данных находится в пределах 50 мг/кг. Судя по картосхеме, представленной на рисунке 9, проявляется тенденция к накоплению хрома в почвах южной части города в районах Птицефабрики и Южной промзоны. Максимальный показатель отмечен в зеленой зоне около родника – 79 мг/кг. По нашему мнению, повышенное накопление хрома в почве на данной пробной площади связано с ее местоположением на расстоянии 200-300 м от Октябрьской железной дороги. Повышенная концентрация хрома выявлена в почвах в районе Соломенное на землях общего пользования вблизи деревообрабатывающего предприятия – 74,2 мг/кг.

Рис. 9. Картосхема содержания хрома в почвах города Петрозаводска Среднее значение содержания хрома в почвах города – 29,9 мг/кг, что в 3 раза меньше ПДК. Среднее геометрическое – 27,4 мг/кг. Оба показателя ниже регионального фонового значения – 47,3 мг/кг. Медиана по содержанию хрома в почвах города Петрозаводска также находится ниже уровня фона, независимо от категории землепользования (рис. 10).

Завышенные показатели относительно регионального фона отмечены в небольшом количестве почвенных образцов ( 200 мг\кг), вероятно из-за внесения дополнительных удобрений на участках. Почвенный профиль имеет вид:

U1d–U2h – можно предположить, что почва относится к типу культурозем, так как верхние слои хорошо обогащены питательными веществами, но для точного определения необходим более глубокий разрез.

Описание прикопки:

U1d – 0-5 см, 10YR3/2, уплотненный, свежий, густо пронизан корнями растений, переход в следующий горизонт резкий по структуре;

U2h – 5-20 см, 10YR2/2, уплотненный, свежий, мелко-ореховатая структура, супесь, много мелких корней, остатки древесины, крупинки кварца.

В районе Соломенного также заложен почвенный разрез на открытой площадке, на месте вырытого котлована под фундамент для строительства дома. На данной пробной площади содержание тяжелых металлов находится в пределах ПДК. Показатель суммарного загрязнения (Zc) равен 5,36.

Почвенный профиль мощностью 75 см сохраняет признаки естественных подзолистых почв, однако в верхних слоях зафиксированы единичные включения антропогенного характера (строительный мусор). На глубину см почва перемешена, из-за проведения строительных работ. На уровне 75 см отмечено появление грунтовых вод. По всему профилю встречаются валуны.

Почвенный профиль имеет вид: Adua1–A1uA2u–B–BC – урбоподзолистая слабонарушенная почва.

Описание разреза:

Adua1 – 0-1 см, 10YR3/2, уплотненный, свежий, густо пронизан корнями растений, единичные включения антропогенного характера (строительный мусор), переход в следующий горизонт резкий по структуре;

A1uA2u – 1-20 см, 10YR3/1, уплотненный, увлажненный, ореховатая структура, супесь, крупинки кварца, переход в следующий горизонт по цвету;

B – 20-45 см, 10YR4/3, уплотненный, влажный, бесструктурный, крупный песок, переход в следующий горизонт резкий по цвету и мехсоставу;

BC – 45-75 см, 10YR4/4, с ржавыми пятнами, плотный, сырой, крупноореховатая структура, суглинок.

На окраине района Сайнаволок почвенный разрез заложен в месте проведения строительных работ. На данной пробной площади содержание тяжелых металлов находится в норме, то есть не превышает ПДК. Отмечен очень низкий показатель суммарного загрязнения – 2,82. Почвы здесь сохраняют признаки естественных, отмечено небольшое захламление поверхности ввиду проведения строительных работ. По почвенному профилю глубиной 1 м не зафиксировано антропогенных включений.

Почвенный профиль имеет вид: A0–A1–A2Bg–Bg–BCg–Cg – подзолистая суглинистая контактно-глееватая.

Описание разреза:

A0 – 0-3 см, 10YR4/1, хорошо разложившаяся лесная подстилка, сильно нарушена деятельностью человека, свежая, ельник, переход в следующий горизонт по структуре;

A1 – 3-10 см, 10YR3/1, рыхлый, свежий, средний суглинок, структура ореховатая, есть крупинки кварца, выходы корней, много мелких и средних камней, переход в следующий горизонт резкий по цвету;

A2Bg – 10-35 см, 10YR5/3, уплотненный, свежий, суглинок, плитчатая структура, много средних камней, переход в следующий горизонт постепенный по цвету;

Bg – 35-58 см, 10YR4/3, с ржавыми пятнами из-за оглеения, плотный, свежий, суглинок, плитчатая структура, есть выходы корней, много камней, переход в следующий горизонт по степени каменистости;

BCg – 58-80 см, 10YR4/4, с ржавыми пятнами из-за оглеения, плотный, свежий, суглинок, плитчатая структура, есть выходы корней, много камней, очень сильная каменистость: средние и крупные камни;

Cg – 80-100 см, 10YR4/4, плотный, свежий, плитчатая структура, тяжелосуглинистая морена, очень сильная каменистость: средние и крупные камни.

На землях резерва не зафиксировано превышение ПДК по содержанию тяжелых металлов, почвенные разрезы заложены на случайных пробных площадях.

В районе Сулажгоры почвенный разрез заложен на обочине дороги вблизи городского кладбища, на спуске к песчаным карьерам. Показатель суммарного загрязнения (Zc) на данной пробной площади равен 2,37. Разрез заложен на глубину 75 см. Верхние слои состоят из отвалов грунта, сильно перемешаны, содержат включения антропогенного характера (бытовой мусор), крупные валуны. Ниже 46 см проявляется горизонт, сохранивший черты естественных почв. Почвенный профиль имеет вид:

U1da1–U2a1–U3a1–Bu–BC – урбоподзолистая сильнонарушенная почва.

Описание разреза:

U1da1 – 0-2 см, 10YR4/2, уплотненный, сухой, пылит, пронизан корнями растений, на поверхности валун (антропогенного происхождения), содержит единичные включения антропогенного характера (бытовой мусор), переход резкий по структуре;

U2a1 – 2-10 см, 10YR4/2, уплотненный, свежий, комковатой структуры, супесь, выходы корней, много мелких камней, содержит единичные включения антропогенного характера (бытовой мусор), переход резкий по цвету;

U3a1 – 10-30 см, 10YR3/3, уплотненный, сухой, комковатой структуры, супесь, выходы корней, содержит единичные включения антропогенного характера (бытовой мусор), переход в следующий горизонт не ясный;

Bu – 30-46 см, 10YR4/3, уплотненный, свежий, комковатой структуры, лёгкий суглинок, камни, переход в следующий горизонт резкий по структуре и плотности;

BC – 46-75 см, 10YR4/3, плотный, свежий, плитчато-глыбоватая структуры, суглинок, немного крупных камней.

На поле вблизи совхоза «Тепличный» комплексный показатель суммарного загрязнения тяжелыми металлами также низкий – 2,74. Разрез заложен на месте вырытого котлована на глубину 95см. Почвенный профиль хорошо стратифицирован на горизонты. Верхний оторфованый горизонт насыпной, его мощность по периметру котлована варьируется от 10 до 50 см.

Антропогенных включений не зафиксировано по всему профилю. На глубине 95 см начинают подступать грунтовые воды. Почвенный профиль имеет вид:

U1h–U2ih–U3–BCg–Cg – культурозем.

Описание разреза:

U1h – 0-12 см, 10YR3/2, рыхлый, свежий, хорошо разложившаяся органика вперемешку с минеральными частицами, содержит крупинки кварца, переход в следующий горизонт резкий по структуре и цвету;

U2ih – 12-32 см, 10YR4/3, рыхлый, влажный, бесструктурный песок, переход в следующий горизонт по цвету и механическому составу;

U3 – 32-42 см, 10YR4/4, рыхлый, влажный, бесструктурный, крупный песок, переход в следующий горизонт подтеками по структуре;

BCg – 42-57 см, 10YR4/4, с ржавыми потеками, уплотненный, влажный, глина вперемешку с песком, глыбчатая, переход в следующий горизонт по цвету и механическому составу;

Cg – 57-95 см, 10YR5/3, уплотненный, мокрый, тонкая супесь, плитчатый.

На территории каменного карьера в районе Ключевой на пробной площади отмечены низкие концентрации тяжелых металлов и низкий показатель суммарного загрязнения (Zc) – 3,68. Прикопка заложена на глубину 9 см, ниже этого уровня залегает подстилающая порода. Почвенный профиль имеет вид: Ad–B–C–D – микроподбур на элюво-делювии гранитов.

Ad – 0-1 см, 10YR4/2, плотный, увлажненный, густо пронизан корнями растений, переход по цвету ровной линией;

B – 1-4 см, 10YR3/2, плотный, увлажненный, супесчаный, корни растений, переход резкий по цвету с затеками;

C – 4-9 см, 10YR4/3, плотный, увлажненный, супесчаный, корни растений;

D - >9 см, подстилающая порода.

На землях природно-рекреационной зоны почвенные разрезы заложены на пробных площадях с высоким валовым содержанием свинца.

На пробной площади в городском парке «Ямка» получен самый высокий комплексный показатель суммарного загрязнения – 19,41. Выявлено высокое содержание общего свинца (6ПДК) и повышенное марганца (1ПДК).

Почвенный разрез заложен на глубину 70 см. Во всех выделенных горизонтах отмечено большое количество антропогенных включений (битый кирпич, шлак). При изучении радиального распределения тяжелых металлов, выявлено высокое содержание свинца и меди по всему профилю, подробнее описано в главе 6. Почва техногенно загрязнена. Почвенный профиль полностью искусственный (насыпной), имеет вид:

U1dh–U2ih–U3a3–U4a3–U5a3–U6a3 – индустризем.

Описание разреза:

U1dh – 0-2 см, 10YR4/1, плотный, увлажненный, комковатой структуры, густо пронизан корнями растений, переход плавный по цвету;

U2ih – 2-8 см, 10YR2/2, плотный, увлажненный, песчаный, корни растений, переход по цвету, влажности и плотности;

U3a3 – 8-22 см, 10YR3/2, менее плотный, свежий, песчаный, много включений антропогенного характера: гравий, кирпич, шлак, переход плавный по плотности;

U4a3 – 22-48 см, 10YR3/2, плотный, увлажненный, песчаный, в нижней части растительные остатки, включения антропогенного характера: гравий, кирпич, шлак, переход по цвету;

U5a3 – 48-64 см, 10YR3/3, плотный, увлажненный, песчаный, растительные остатки, включения антропогенного характера: гравий, кирпич, шлак, переход постепенный по цвету;

U6a3 – 64-70 см, 5YR4/4, плотный, увлажненный, песчаный, крупные обломки шлака и кирпича.

На берегу Онежского озера в Октябрьском районе на пробной площади выявлено высокое содержание свинца (3ПДК), показатель суммарного загрязнения (Zc) – 7,89. На поверхности много бытового мусора. Разрез заложен на глубину 75 см. Почвенный профиль хорошо стратифицирован на слои по цвету и гранулометрическому составу. На разных глубинах встречаются включения антропогенного характера (обломки кирпича, бытовой мусор). Почва на глубину до 58 см представлена антропогенными слоями, далее выявлены естественные песчаные горизонты. Почвенный профиль имеет вид: U1dha2-U2ih-U3-U4-U5a1-BC1-BC2 – сильнонарушенная аллювиальная песчаная почва.

Описание разреза:

U1dha2 – 0-5 см, 10YR3/2, уплотненный, увлажненный, плотно пронизан корнями растений, много включений антропогенного характера, переход резкий по цвету;

U2ih – 5-19 см, 10YR4/2, неравномерно окрашен, рыхлый, свежий, песчаный, прослойки супеси, угли, переход резкий по цвету, плотности и мехсоставу;

U3 – 19-31 см, 10YR3/2, с ржавыми прослойками, уплотненный, влажный, супесь, корни растений;

U4 – 31-45 см, 10YR2/1, уплотненный, влажный, супесчаный, корни растений, переход плавный по окраске, мехсоставу и плотности;

U5a1 – 45-58 см, 10YR3/3, плотный, влажный, песчаный, включения антропогенного характера: обломки кирпича, постепенный переход по цвету и плотности;

BC1 – 58-71 см, 10YR4/6, неравномерно окрашен, рыхлый, влажный, крупный песок, переход по цвету;

BC2 – 71-78 см, 10YR4/2, рыхлый, сырой (подтопленный), песчаный, неразложившиеся древесные остатки, гравий.

В пригородных лесах южной части города на пробной площади, заложенной на территории несанкционированной свалки бытового мусора, отмечено повышенное валовое содержание свинца (1,5ПДК). Показатель суммарного загрязнения (Zc) – 8,34. Здесь заложен разрез на глубину 45 см, из-за подступления грунтовых вод. Почвенный профиль хорошо стратифицирован на горизонты. Почва полностью сохраняет свои естественные черты. Захламление бытовым мусором только поверхностное, по почвенному профилю антропогенных включений не обнаружено.

Почвенный профиль имеет вид: A0–A1g–Bg – элювиально-поверхностноглеевая.

Описание разреза:

A0 – 0-6 см, 10YR4/2, лесная подстилка, рыхлая, влажная, хорошо разложившаяся;

A1g – 6-22 см, 10YR4/1, немного уплотненный, влажный, суглинок, комковато-ореховатая структура, много выходов корней, валуны, плиточные камни, переход резкий по цвету;

Bg – 22-25 см, 10YR4/4, глубже вода (начала поступать с глубины 40см), уплотненный, сырой, тяжелый суглинок, мелкокомковатый, много крупных камней.

В процессе исследования на территории г. Петрозаводска выделены антропогенные глубокопреобразованные почвы: физически преобразованные (урбанозем, культурозем), химически преобразованные (индустризем);

почвоподобные техногенные поверхностные образования (конструктозем); а также естественно-антропогенные поверхностно-преобразованные и естественные ненарушенные почвы.

Основные типы почв для каждой категории землепользования:

• На землях общего пользования:

• На землях городской застройки:

• На землях сельской застройки:

• На землях резерва:

урбоподзолистая сильнонарушенная почва, микроподбур на элюво-делювии гранитов.

• На землях природно-рекреационной зоны:

элювиально-поверхностно-глеевая, сильнонарушенная аллювиальная песчаная, Глава 5. Химические свойства почв различных категорий землепользования на территории г. Петрозаводска Почвы города различных категорий землепользования значительно отличаются по своим свойствам от естественных почв (Морозова, Федорец, 1992). Химические свойства городских почв имеют важное значение для древесных и травянистых растений и зависят от свойств субстрата из которого они образованы, а также от характера их использования (Почва, город…, 1997). Многими авторами отмечается подщелачивание городских почв (Большаков, Кахнович, 2002; Хакимов и др., 2006; Шеховцева, Мальцева, 2010), вызванное поступлением в поверхностные горизонты строительного мусора, извести, антигололедных реагентов, содержащих хлориды кальция и натрия (Hollis, 1991; Бериня, 1985). На территории пригородных лесов, удаленных от города, подщелачивание поверхностных горизонтов можно объяснить воздушной миграцией аэротехногенных выбросов промышленных предприятий, которые в большинстве случаев содержат щелочные и щелочноземельные металлы (Федорец и др. 1998).

5.1. Оценка кислотности почв города Петрозаводска Для характеристики кислотно-щелочных свойств почв города Петрозаводска в образцах, отобранных из верхнего десятисантиметрового слоя по всей территории города, определяли актуальную (водная вытяжка) и обменную (вытяжка 1N KCl) кислотность. По полученным данным построены картосхемы представленные на рисунках 19 и 20. Для обозначения контуров почв со щелочной и нейтральной реакцией среды, как правило, используют оттенки синих цветов, для кислой реакции – красный, для среднекислой – желтый, а для слабокислой и близкой к нейтральной – зеленый.

Рис. 19. Картосхема показателей кислотности (вытяжка KCl) почв Рис. 20. Картосхема показателей кислотности (вытяжка H2O) почв Актуальная кислотность обусловлена концентрацией ионов водорода в почвенном растворе, в то время как обменная учитывает также влияние катионов почвенного поглощающего комплекса (ППК), которые могут подкислять почвенный раствор (H+ и Al3+). В связи с чем показатели pH обменной кислотности, как правило, ниже актуальной на 0,5-1,5 единицы.

Далее приведены описания обменной кислотности почв (вытяжка KCl) города Петрозаводска.

На землях городской застройки показатель pH варьирует от 4,3 до 7,8.

На землях общего пользования кислотность в основном изменяется от 4 до 7,9 pH. На одной пробной площади в данной категории землепользования зафиксировано самое низкое значении pH – 3,2 на обочине дороги в «спальном» районе Древлянка. Максимально высокие показатели pH выявлены на территориях, прилегающих к промышленным зонам – Северная и Южная промзона, промзона в районе Зареки. Подщелачивание обуславливается наличием в аэротехногенных выбросах промышленных предприятий щелочных металлов. Слабощелочная реакция почв отмечена вблизи автостоянок и автогаражей, так как почва здесь подвержена воздействию различных машинных масел, которые чаще всего содержат щелочные присадки. Земли природно-рекреационной зоны характеризуются кислой и близкой к нейтральной реакцией почв (pH – 3,3-5,9). В одном почвенном образце, отобранном на территории пригородных лесов, выявлена нейтральная реакция (pH 6,7). И на трех пробных площадях природнорекреационной зоны в черте города отмечена слабощелочная реакция почв (pH – 7-7,3). На землях сельской застройки показатель pH варьирует от 5,9 до 7,8. Максимальное значение получено на пробной площади в районе Сайнаволок, где ведется активное строительство. Подщелачивание почвы здесь, вероятно, обусловлено большим скоплением стройматериалов. На землях резерва среднекислая реакция почвы выявлена на открытом поле вблизи совхоза «Тепличный» (pH – 5,9) и на территории Каменного карьера в районе Ключевой (pH – 4,7). Реакция почвы близкая к нейтральной выявлена на пробной площади в районе Птицефабрики неподалеку от Южной промзоны (pH – 6,4), а также в районе Сулажгоры на обочине дороги (pH – 6,3).

В целом урбанизированная территория характеризуется нейтральной и слабощелочной реакцией среды. Заметно подщелачивание почв вблизи промышленных зон. В районах удаленных от центральной части города и в пригородных лесах наблюдается увеличение кислотности.

5.2. Химические свойства почв на землях различных категорий характеристики наиболее распространенных естественных почв республики Карелия – иллювиально-железистого песчаного подзола (Федорец, 2001).

Разрез заложен на территории заповедника «Кивач». По данным Н. Г.

Федорец (2001) в верхней части иллювиального горизонта имеются локальные участки накопления гумуса, но сплошного горизонта они не образуют. В лесной подстилке невысокое содержание азота. Почвы сильнокислые, особенно высокую кислотность имеют лесная подстилка и подзолистый горизонт. Для данного типа почв характерно резкое снижение кислотности в иллювиальном горизонте. Степень насыщенности основаниями максимальная в лесной подстилке, которая уменьшается с глубиной.

Химические свойства иллювиально-железистого песчаного подзола Земли общего пользования. На землях категории общего пользования почвы имеют нейтральную и слабощелочную реакцию среды (табл. 5).

Показатель pH варьирует от 5,6 до 7,9 и в каждом почвенном профиле с глубиной остается примерно на одном уровне. Самые высокие показатели pH отмечены в почвенном профиле индустризема. Индустризем также отличается высокой степенью насыщенности основаниями, которая не изменяется с глубиной по всему почвенному профилю (99-99,4 %). Для урбанозема среднемощного характерно снижение насыщенности сильнонарушенной почве показатель степени насыщенности основаниями резко изменяется по слоям: в горизонтах U2ha1 и BC он близок к 0 %, в то время как на глубине 20-40 см отмечено наибольшее значение, равное 80, Содержание углерода во всех исследованных почвах снижается с глубиной, исключение составляет индустризем, где наибольшее количество углерода определено в нижележащих слоях (18-19,2 %), в то время как в верхнем горизонте этот показатель составляет 6,6 %.

Содержание азота в почвах на различных глубинах колеблется от 0, до 0,03 %. Наименьшее содержание азота отмечено в урбаноземе среднемощном, составляющее 0,13 %. Наиболее высокое содержание азота выявлено в индустриземе на глубине 27-48 см.

Верхние слои индустризема наиболее обогащены также подвижными формами фосфора (62,8 мг/100г) и калия (25,5 мг/100г). Содержание калия с глубиной постепенно снижается, в то время как фосфор распределен по слоям в почвенных профилях неравномерно. В урбоподзолистой сильнонарушенной почве и урбаноземе среднемощном отмечено накопление калия на глубине 5-15 см.

Земли городской застройки. Химические свойства почв категории городской застройки представлены в таблице 6. Почвы верхних слоев имеют нейтральную реакцию среды. По почвенному профилю конструктозема с глубиной показатель pH снижается с 6,2 до 5,4. Для почв индустризема характерна нейтральная реакция среды 6,5-6,7, однако заметно незначительное подкисление почвы на глубине 11-36 см. Для урбанозема маломощного выявлено изменение кислотности по глубине с нейтральной до слабощелочной реакции среды.

Поверхностный слой почвы культурозёма насыщен основаниями, в то время как для других типов в этом слое отмечены показатели близкие к нулю. Степень насыщенности увеличивается с глубиной до 45-50 см в разрезах всех выделенных почв, однако далее в почвенном профиле культурозема выявлено её резкое снижение.

Индустризем отличается более высоким содержанием углерода – 16,8которое по глубине остается примерно на одном уровне. Для конструктозема выявлено снижение содержания углерода с 9,2 до 0,4 % по глубине. Меньшее количество углерода отмечено в верхнем слое урбанозема маломощного – 6,8 %, этот показатель снижается до 0,3 % на глубине 5- см, а затем снова возрастает до 1,7 %.

Содержание азота в почвенных профилях неравномерно снижается с глубиной. Наиболее обеспечен азотом индустризем (0,59-0,24%). В культуроземе концентрация азота снижется по профилю с 0,48 до 0,01%, а в урбаноземе маломощном с 0,41 до 0,07% Подвижным фосфором хорошо обогащены верхние слои почв, особенно урбанозема, где его содержание равномерно снижается с глубиной от 240 до 18,2 мг/100г. В почвенном профиле конструктозема и урбанозема маломощного отмечено неравномерное снижение содержания подвижных соединений фосфора, проявляется увеличение концентрации в горизонте U4.

Подвижный калий распределен по глубине неравномерно. В разрезе конструктозема проявляется его накопление в нижних горизонтах. Для индустризема отмечено небольшое увеличение концентрации с глубиной с 6,4 до 10,7 мг/100г. В урбаноземе маломощном выявлено накопление подвижных соединений калия в поверхностном слое и на глубине 14-20 см.

Земли сельской застройки. Верхние слои почв категории сельской застройки имеют близкую к нейтральной и нейтральную реакцию среды (табл. 7). Стоит отметить, что с глубиной почва подкисляется, и на глубине от 40 см, где сохранились естественные генетические почвенные горизонты, показатель pH снижается до 4,4-4,7.

Основаниями наиболее насыщены верхние слои культуразема, в то время как в дерновом горизонте (Adua1) урбоподзолистой слабонарушенной почвы насыщенность основаниями близка к 0, также она крайне низкая в горизонтах A0 и A2Bg подзолистой суглинистой контактно-глеевой почвы.

Степень насыщенности основаниями варьирует от 47,8 до 90,1 % на разных глубинах.

Наибольшее содержание углерода во всех типах почв отмечено в верхних слоях – 12,5-4,7 %, которое постепенно снижается с глубиной до 0, Азотом наиболее богаты верхние слои почв (0,55-0,32 %), затем с глубиной отмечено довольно резкое снижение концентрации до 0,05-0,01 %.

Подвижные формы фосфора и калия распределены по почвенным профилям неравномерно. Высокое содержание фосфора (294-233 мг/100г) и калия (16,5-11,7 мг/100г) выявлено в почвенном профиле культурозема. В подзолистой суглинистой контактно-глеевой почве отмечается накопление калия и фосфора в лесной подстилке, в нижележащих горизонтах концентрации резко снижаются, но проявляется их увеличение в почвообразующей породе. В профиле урбоподзолистой слабонарушенной почвы до глубины 45 см содержание подвижного фосфора и калия невелико и находится примерно на одном уровне, однако в естественном горизонте BC концентрации резко увеличиваются.

Земли резерва. В таблице 8 показаны химические свойства почв на землях резерва. Культурозем имеет среднекислую реакцию среды, которая по всему почвенному профилю остается примерно на одном уровне.

Урбоподзолистая сильнонарушенная почва характеризуется близкой к нейтральной реакцией среды с небольшим подкислением на глубине 2-10 см – 5,09 и 46-75 см – 5,35. Микроподбур имеет слабокислую реакцию среды, которая снижается до 3,76 в горизонте C.

Степень насыщенности основаниями верхнего оторфованного горизонта культурозема составляет 64,4 %, затем она снижается в нижележащем горизонте до 32 %, а далее на глубине 57-95 см начинает увеличиваться до 83,7%. На урбоподзолистой сильнонарушенной почве степень насыщенности основаниями распределена также неравномерно по глубине, в поверхностном горизонте U1da1 и на глубине 10-30 см она близка к 0%. В микроподбуре насыщенность основаниями проявляется только в горизонте B (1-4см) и составляет 27,6 %, в других горизонтах она близка к 0%.

Содержание углерода и азота максимально в верхних слоях не зависимо от типа почвы и снижается с глубиной. Максимальные значения отмечены в поверхностном органогенном горизонте U1h культурозема.

Выявлено накопление подвижных соединений фосфора и калия в поверхностном горизонте микроподбура, которое затем довольно резко снижается. В профиле культурозема содержание калия минимально в верхнем слое – 1,7 мг/100г, которое затем по глубине увеличивается и в нижележащих горизонтах держится примерно на одном уровне 35- мг/100г. Прослеживается небольшое накопление фосфора в поверхностном слое – 38,4 мг/100г и довольно резкое увеличение концентрации в сильнонарушенной почве максимальное содержание фосфора отмечено в дерновом горизонте (U1da1) – 56,6 мг/100г, затем по профилю показатель изменяется в пределах 22,2-28,3 мг/100г. Содержание калия имеет скачкообразное распределение по горизонтам и варьирует от 6,5 до 21, мг/100г.

Земли природно-рекреационной зоны. Почвы природно-рекреационной зоны (табл. 9) также сильно антропогенно преобразованы. Естественный почвенный профиль на обследованной нами территории сохранился лишь в зоне пригородных лесов – элювиально-поверхностно-глеевая почва.

Верхний слой сильнонарушенной аллювиальной песчаной почвы имеет близкую к нейтральной реакцию среды, которая с глубиной снижается до 4,3.

Для почвенного профиля индустризема характерны нейтральные показатели до глубины 22 см, затем реакция становится слабощелочной. В ненарушенном профиле элювиально-поверхностно-глеевой почвы показатель pH изменяется по глубине с 5,4 до 5,1, т.е. реакция среды слабокислая.

основаниями насыщены только антропогенные слои до глубины 45 см. В естественных песчаных горизонтах содержание обменных оснований чрезвычайно низкое. В поверхностном слое индустризема и в лесной подстилке на естественной почве степень насыщенности также близка к 0%.

Далее для индустризема характерно резкое увеличение показателя до 89- %. В подподстилочном горизонте степень насыщенности основаниями также резко увеличивается до 81 %, но далее по глубине снижается.

Наибольшее содержание углерода характерно для верхних горизонтов, особенно для лесной подстилки (25,4%), которое снижается с глубиной независимо от типа почв до 0,6-0,8 %.

Максимальное содержание азота отмечено в подстилке (0,76%) и подподстилочном горизонте (0,32%) естественной элювиальноповерхностно-глеевой почвы. В индустриземе содержание азота снижается с 0,45 до 0,05% по глубине. Сильнонарушенная аллювиальная песчаная почва характеризуется неравномерным снижением содержания азота по слоям с 0,21 до 0,04, здесь наиболее богаты элементом верхние антропогенные слои.

В почвенном профиле элювиально-поверхностно-глеевой почвы отмечено увеличение подвижных форм фосфора и калия с глубиной, что характерно для данного типа естественных почв. Содержание фосфора в индустриземе максимально в поверхностном слое – 97 мг/100г, которое далее по профилю держится на уровне 45-46 мг/100г. Однако прослеживается накопление элемента на глубине 48-64 см до 75 мг/100г. Содержание калия по профилю крайне не равномерно, накопление отмечается в слое U2ih (2- см) и U5a3 (48-64 см). В разрезе сильнонарушенной аллювиальной песчаной почвы максимальное содержание фосфора – 52,6 мг/100г отмечено в поверхностном слое, которое затем не равномерно снижается по глубине. На глубине 0-8 см данная почва обогащена калием до 11,7-12,2 мг/100г.

В целом городские почвы города Петрозаводска значительно отличаются по химическим характеристикам от естественной почвы, выбранной в качестве контроля (табл. 4). Почвы на территории города имеют близкую к нейтральной и слабощелочную реакцию по всему почвенному профилю. В отдельных случаях показатель pH минеральной части почв сохранивших свое естественное строение близок естественным почвам, за исключением поверхностного слоя. На землях общего пользования и городской застройки кислотность значительно ниже. Городские почвы отличаются более высоким содержанием углерода, исключение составляют культурозем на землях резерва и подзолистая суглинистая контактноглееватая почва на землях сельской застройки, однако органическое вещество городских почв бедно азотом. Почвы города более насыщены основаниями. Минеральная часть почв обогащена подвижными соединениями фосфора и калия. Отличительной чертой естественных почв является наличие органогенного экрана – лесной подстилки, где происходит выраженное накопление органического вещества, содержание которого резко снижается в нижележащих горизонтах.

гранитов глеевая Глава 6. Радиальное распределение тяжелых металлов и серы в почвах различных категорий землепользования Проводили определение валового содержания и трех форм соединений тяжелых металлов (вытяжка «Aqua Regia», подвижные и водорастворимые) в почве с целью изучения их радиального распределения. В таблице представлено распределение тяжелых металлов по профилю подзола иллювиально-железистого (Федорец, 2001), наиболее типичной для Карелии автоморфной естественной почвы, которая служила контролем при проведении наших исследований. Данный разрез заложен на территории заповедника «Кивач». Было установлено, что наибольшее накопление свинца, цинка и марганца характерно для лесной подстилки. Наблюдается снижение концентрации меди, цинка, никеля и марганца в элювиальном горизонте, далее по профилю их содержание возрастает с глубиной.

Содержание свинца по всему почвенному профилю остается примерно на одном уровне, за исключением высоких концентраций в лесной подстилке.

Концентрация кобальта незначительно увеличивается с глубиной.

Количество хрома по профилю изменяется слабо. Наибольшая концентрация серы выявлена в лесной подстилке, в минеральных горизонтах она значительно ниже, а затем постепенно убывает с глубиной.

Накопление подвижных форм соединений тяжелых металлов, так же как и валового, было наибольшим в органогенном горизонте. Для меди, цинка и марганца установлено аналогичное распределение по профилю как общего количества ТМ, так и подвижных соединений.