Учебно-методический комплекс нижний Новгород 2013 г

Группа включает десятки типов ландшафтов. Наиболее распространены влажные тропики, ландшафты широколиственных лесов и таежные ландшафты.

Для влажных тропиков характерна наивысшая интенсивность биологического круговорота и водной миграции. Здесь изобилие тепла сочетается с изобилием осадков, это обеспечивает возможность интенсивного развития большинства геохимических процессов, появления наиболее сложных форм ландшафта. Миграция атомов происходит с одинаковой интенсивностью в течение круглого года, период геохимического покоя отсутствует.

Биологический круговорот протекает во влажных тропиках с высокой интенсивностью, ежегодно создается огромная биомасса – 325 ц/га (дубрава – 90 ц/га, тайга – 70 ц/га). Разложение органических веществ протекает быстрее, и в ландшафте практически нет лесной подстилки. Поэтому опадо-подстилочный коэффициент – отношение количества подстилки к ежегодному опаду исключительно мал – менее 0,1 (в заболоченной тайге и тундре – более 50). В отличие от лесов умеренного пояса при разложении растительных остатков К, Са, Si быстро выносятся, накапливаются Fe и Mn. По Базилевич, Важнейшими водными мигрантами бика являются – Si и Ca, ко второй группе относятся K, Mg, Al, Fe, к третьей - Mn, S. В листьях тропических деревьев среди водных мигрантов первое место принадлежит Si (у бамбуков до 90 % SiO₂ в золе), поэтому влажные тропические леса имеют кремниевый тип химизма бика. Важной особенностью бика является вымывание дождевыми водами из листьев азота, фосфора, калия, кальция, магния, натрия, хлора, серы и других элементов.

Систематика семейств влажных тропиков пока не разработана, но выделяются чрезвычайно резкие различия на уровне классов.

1. 
   Кислые влажные тропики,
   
2. 
   Влажные тропики кислого глеевого класса,
   
3. 
   Влажные тропики сернокислого класса,
   
4. 
   Влажные тропики кальциевого и переходного классов,
   
5. 
   Влажные тропики соленосно-сульфидного класса.
   

Широколиственные деревья сравнительно богаты зольными элементами, особенно листья. В золе много Са (до 20%), меньше К и Si, еще меньше Mg, Al, P и меньше всего Fe, Mn, Na, Cl. Но ряд биологического поглощения другой:

10n / S,P > n / Ca, K, Mg, Mn > n-0,n / Na > 0,n – 0,0n / Fe, Al, Si

Это предопределяет возможность биогенной аккумуляции в почвах S, P, Ca, K, Mg, Mn, а также редких элементов биогенная аккумуляция которых больше 1 ( B, Ni, Ag, Au, Co, Zn, Cd, Pb и др. Выщелачивание преобладает, и автономный ландшафт с вертикальным и боковым стоком теряет подвижные элементы. Высокое содержание в растениях Са и его энергичное биологическое поглощение определяют кальциевый химизм биологического круговорота. Са – один из типоморфных элементов широколиственных лесов. Менее велико значение Н.

Ежегодный растительный опад в несколько раз меньше, чем во влажных тропиках, и темп его разложения меньше из-за более низких температур зимнего перерыва. Скорость разложения меньше скорости накопления опада, поэтому для зональных бурых лесных и серых лесных почв характерна лесная подстилка (опадо-подстилочный коэффициент равен 3-4). Са и другие катионогенные элементы, образующиеся при разложении растительных остатков, нейтразилуют большую часть органических кислот, поэтому реакция гумусового горизонта почв слабокислая или даже нейтральная, хотя встречаются и кислые среды с рН = 4-5. В поглощенном комплексе часто преобладает Са.

Тип широколиственных лесов включает в себя ряд отделов, своеобразие которых определяется климатом, историей развития, возрастом, геохимическими реликтами. Выделяются 4 отдела: 1) дальневосточный муссонный, 2) кавказский, 3) восточноевропейский, 4) среднеазиатский.

Семейства в отделах подлежат уточнению. Ярко выражены два основных класса:

1. 
   бескарбонатный (Н⁺ - Са²⁺),
   
2. 
   кальциевый (Са2+).
   

Кора выветривания менее мощна и менее выщелочена, чем во влажных тропиках. Здесь не образуются гидрослюды Al, не высокий вынос Са, Мg и других катионов. В слабой степени выносится кремнезем.

В ландшафтах кальциевого класса коры выветривания и континентальные отложения содержат СаСО3, в формировании химического состава вод важная роль принадлежит его растворению.

Хорошие климатические условия, плодородные почвы определили важную роль ландшафтов 2 и 1 рода в сельском хозяйстве. Во многих районах леса вырублены и почвы распаханы. Дефицитны N, P, K, местами Co, Cu, Zn, Mn, J, Mo, B и др. Избыточных элементов почти нет.

В широколиственных лесах эффективны все виды геохимических поисков. При литохимических поисках в некоторых районах необходим отбор проб с глубины 0,5 м, т.к. подвижные металлы выносятся из верхних горизонтов почв.

Главная геохимическая особенность ландшафтов широколиственных лесов состоит в ежегодном продуцировании 80-150 ц/га живого вещества и средней скорости его разложения. При разложении органических веществ кислотные продукты распада частично нейтрализуются катионами, реакция почв кислая, слабокислая или близкая к нейтральной, кислое выщелачивание выражено слабо, в почве накапливаются биогенным путем многие элементы. В отличие от влажных тропиков бик улучшает условия существования организмов. Энергичная биогенная аккумуляция – эффективный механизм отрицательной обратной биокосной связи, стабилизирующей состав почв и повышающей их плодородие. В широколиственных лесах прямые водные связи сильнее обратных, т.е. выщелачивание преобладает. Для широколиственных лесов между автономными и подчиненными ландшафтами характерно совершенное геохимические сопряжение.

Биомасса в тайге в 5 раз меньше, чем в тропиках. Более половины биомассы представлено древесиной, состоящей из клетчатки (около 50 %), лигнина (20-30 %), гемицеллюлозы (более 10 %), в меньшей степени из смол, дубильных веществ, других органических соединений.

Число видов высших растений почти вдвое меньше, чем в широколиственных лесах. Зеленая часть составляет не менее 3 % от биомассы (часто 5-7). По этому показателю тайга ближе к влажным тропикам (8%), чем к широколиственным лесам (1 %).

Для тайги характерна низкая зольность прироста: в северной тайге ниже 1,5 %, в средней и южной – 1,6 – 2,5 %. Т.о. хвойные деревья беднее золой, чем лиственные. Особенно важны различия зольности хвои и листьев, т.к. хвоя играет ведущую роль в опаде деревьев (более 50 %). Зольность хвои – 2-3,5%, листьев широколиственных пород – 5-8%. В хвое большую роль играет SiO2 и меньшую Са. Клеточный сок хвои ели, сосны и лиственницы содержит свободные органические кислоты, его рН 4,5-6,5; рН таежных трав нередко кислый. Характерная особенность таежного ландшафта – кислая среда.

С опадом в тайге ежегодно возвращается значительно меньше водных мигрантов, чем в широколиственных лесах. Если в дубравах этот показатель близок к 200 кг/га, в ельниках южной тайги – 85, в северной – 52 кг/га. Для тайги характерен азотный тип химизма бика. В холодной тайге разложение органических веществ протекает медленнее, чем в широколиственных, микроорганизмы работают не так энергично, время их деятельности в году короче, некоторые группы бактерий отсутствуют. Масса подстилки в 10 раз превышает опад зеленой части.

В растительном опаде елового леса эквиваленты кислотных органических соединений в десятки раз превышают эквиваленты катионов золы и азота, дающих основания. Низкое содержание сильных оснований (Са, Mg, Na, K) в золе при отсутствии их подвижных форм в горных породах обуславливает кислый характер почвенных растворов: часть органических кислот существует в свободной форме, обеспечивая кислую реакцию лесной подстилки и верхних горизонтов почвы.

В тайге минерализация и гумификация ослаблены, энергично идет образование фульвокислот. Нейтрализация фульвокислот происходит за счет Fe и Al почвенных минералов.

Главное геохимическое отличие бика тайги от бика широколиственных лесов в соотношении биомассы и продуктивности, в меньшей скорости разложения органических веществ, меньшем количестве водных мигрантов, вовлекаемых в бик и поступающих с опадом, более кислом характере продуктов разложения, меньшей роли биокосной отрицательной обратной связи.

В зависимости от степени континентальности, истории геологического развития и проявления многолетней мерзлоты таежный тип на территории Евразии разделен на несколько отделов:

1. Приокеаническая тайга (Прибалтика, запад Белоруссии, Скандинавия)

2. Умеренноконтинентальная тайга (европейская Россия)

3. Континентальная сибирская тайга (без многолетней мерзлоты)

4. Континентальная и резкоконтинентальная сибирская мерзлотная тайга

5. Приокеаническая (тихоокеанская) мерзлотная тайга (побережье Охотского моря ).

6. Приокеаническая (тихоокеанская) тайга без мерзлоты (Сахалин, Камчатка, Курилы, Приморье)

Показатели бика лесных ландшафтов

В степях преобладают растения с исторически сложившимися химическими особенностями: злаки, сложноцветные, маревые и др. Многие виды отсутствуют. Например, в луговых степях почти нет мхов и лишайников.

Ежегодный прирост биомассы и опад в степях в таких же количествах как и в лесах умеренного пояса. В степях преобладают многолетние травы. Однако большая часть создаваемого ежегодного надземного органического вещества отмирает каждый год, в значительной степени гумифицируется и минерализуется. В результате в почве накапливается много гумуса, содержание его составляет 800 т/га против 100-200 т таежном ландшафте.

Т.о. бик в степях отличается меньшей емкостью, чем в лесных, но большей скоростью: значительное количество химических элементов успевает пройти в течение года через живое вещество, прирост и опад составляет 35-55% от биомассы.

Выделяются три основных типа степных ландшафтов:

1. 
   черноземные степи,
   
2. 
   сухие (каштановые) степи,
   
3. 
   субтропические степи.
   

По сравнению с растительностью лесной зоны умеренных широт степные растения содержат больше водных мигрантов (золы), чем лесные. Состав золы зависит от систематического положения растений. Зола бобовых содержит много К (15-40 % К2О в золе) и Са (12-30 % СаО), в золе злаков много кремнезема (50-60 %), много хлора, натрия и серы. Железа и алюминия степные растения содержат мало.

1. 
   умеренноконтинентальные степи (европейские),
   
2. 
   континентальные (западносибирские),
   
3. 
   резкоконтинентальные (восточносибирские).
   

Тип черноземных степей расчленяется на ряд семейств, соответствующих почвенно-растительным подзонам: луговые степи на мощных и выщелоченных черноземах, злаковые степи на обыкновенных черноземах.

Тип сухих степей является переходным между черноземными степями и пустынями. Между черноземными и сухими степями нет четких различий. Для сухих степей типична комплексность почвенно-растительного покрова: наиболее часто встречается сочетание каштановых почв с солонцами, в некоторых районах солонцы преобладают. Помимо типичных солонцов широко развиты каштановые солонцеватые почвы.

На территории России и Казахстана распространены 2 отдела сухих степей – континентальные (Европейско-западно-сибирско-казахстанские) и резкоконтинентальные сухие степи с длительным промерзанием почв.

Субтропические степи широко распространены в Передней Азии и Северной Африке. Главная особенность бика субтропических степей – напряженность и скорость. Ежегодная продукция близка к биомассе.

Характерно резкое преобладание окислительных условий в почвах, окислительно-восстановительная зональность ближе к пустыням. Первичные минералы здесь энергично выветриваются, происходит оглинение почвенного профиля.

Для субтропических степей характерны ландшафты Са-класса. Грунтовые воды в автономных ландшафтах равнин формируются под влиянием испарительной концентрации, местами они высокоминерализованы и имеют сульфатно-хлоридно-натриевый состав. При близком залегании от поверхности они засоляют почву.

Субтропические степи Средней Азии включают три семейства: 1. с наименее интенсивным биком – на светлых сероземах, самые засушливые (пустынные субтропические степи); 2. со средним биком – на типичных сероземах (типичные); 3. с биком максимальной интенсивности (крупнотравные субтропические степи на темных сероземах, коричневых и других почвах).

БИК в горных лугах, тундре, тайге степях

Пустыни — это ландшафт с малой биологической информацией, ослабленными биотическими и водными связями, но с интенсивными прямыми воздушными связями.

Для пустынь характерны своеобразные саксауловые леса, травянистые, кустарниковые и полукустарниковые сообщества. Это позволяет рассматривать различные пустыни как результат уменьшения Б и П (деградации) лесов, степей, лугов и саванн. Пустынная деградация связана не толь ко с иссушением климата, но и с похолоданием (полярные пустыни) и засолением (солонцы и солончаки в степях).

Биомасса в пустынях обычно составляет 10-15 ц/га. Ежегодная продукция колеблется в пределах 5-15 ц/га, возрастая до 50 ц/га в саксауловых пустынях. Соотношение между Б и П меняется сильно.

Для пустынной флоры характерна ин­тенсивная биогенная аккумуляция Nа, С1, S а также К и Р, причем первые три элемента накапливаются в надземных органах, а Р и К — в подземных. Общее содержание золы выше, чем в степных ра­стениях. Содержание Si, Fе и А1 в золе очень мало, они имеют низкие коэффи­циенты биологического поглощения. Щелочные и щелочно­земельные металлы вовлекаются в бик энергичнее, чем в степях. Галофиты от­личаются высоким содержанием К, С1 и Nа, иногда S и Мg. Так как в золе кор­ней много Са, К, Р, то эти элементы в результате бика ежегодно возвращаются в пустынную почву.

Концентрация в надземных органах Nа, С1 и S, по Л.Е. Родину, имеет приспособительное значение: при развеваний отмерших надземных органов растения избавляются от части этих избыточных элементов.

По абсолютному количеству раститель­ного опада (О,) и отношению опада к био­массе пустыни не отличаются от других ти­пов ландшафтов. Специфична для пустынь ничтожная роль в биомассе зеленых однолетних органов растений.

В резкоокислительной среде пустынь разложение их остатков протекает интен­сивно, органические вещества быстро минерализуются и гумус почти не накапливается. Этим пустыни отличаются от черноземных степей, лесов и тундры. Древесные остатки, напротив, сохраняются долго, консервируясь в сухом климате. Согласно Базилевич и Родину, в бике пустынь преобладае азотный тип химизма. В солончаковый пустынях — хлоридный тип химизма (С1 > На). Таким образом, в пустынях бик: протекает быстро, зеленая органическая масса мала, органические вещества или минерализуются, или консервируются, но почти не гумифицируются. Преобладающая часть живого вещества сосредоточена под землей. К пустынной группе относят 4 типа ландшафта, которые описываются в порядке увеличения прогрессивности бика – роста величины К (соотношение П/Б):

1. полярные пустыни,

2. высокогорные пустыни,

3. суббореальные пустыни,

4. субтропические (средиземноморские) пустыни.

По биомассе и ежегодной продукции эта группа близка к степям, по соотноше­нию Б и П — к тайге, по некоторым информационным показателям — к пусты­ням.

Тундра — продукт холодного климата, точнее — холодного лета со сред­ней температурой самого теплого месяца не более +10°С. На равнинах Евра­зии и Северной Америки она образует самостоятельную ландшафтную зону, в горах — особый высотный пояс.

В равнинной тундре бик развивается в условиях длинного полярного дня. Биомасса в тундре колеблется в широких пределах — от 40 до 300 ц/га, большая ее часть сосредоточена в корнях (70—80%). Ежегодный прирост (П) составляет 10 ц/га для арктической тундры и 25 — для кустарничковой, т.е. по величине близок к сухим степям и пустыням.

Большую роль играют мхи и лишайники. Флора тундры содержит меньше водных мигрантов, чем аналогичные роды и виды в тайге и других зонах. Особенно мало золы в лишайниках (1,3—4%), в которой преобладаtn SiO2. Несколько богаче золой мхи, в некоторых тра­вах (хвощи) до 10—15% золы. У большинства растений зольность 1,5—2%. Мхи богаты Fе, местами Мп и Аl.

Из-за низкой температуры разложение остатков организмов в тундре проте­кает медленно, многие группы микроорганизмов не функционируют или же работают очень слабо (бактерии, разлагающие клетчатку и др.). Это ведет к накоплению органических веществ на поверхности и в почве. В подстилке накапливается 25—835 ц/га при ежегодном опаде 0,п—50 ц/га. Отношение под­стилки к опаду, характеризующее интенсивность разложения растительных остатков, колеблется от 100 до 17. По этому показателю тундра ближе к тайге (п), чем к степям и пустыням (0,п) (таблица 11.2). По биомассе, ежегодной продукции, соотношению подземной и надземной частей тундра ближе к аридным ландшафтам. Но малая биомасса степей и пустынь связана с недостатком воды (реже — избытком солей), в тундре — недостатком тепла. В тундрах, сухих степях и пустынях произрастают близкие жизненные формы — кустар­ники и кустарнички. Разложение органических веществ в тундре, напротив, резко отличается от аридных ландшафтов и аналогично северной тайге. Об этом говорит накопление большого количества подстилки, важное участие в бике А1, Fе, Мп. Генетическая близость тундры и тайги определяет их сход­ство по соотношению Б и П величине К (табл. 11.2). Низкая интенсивность бика и связанная с этим низкая самоорганизация определяют малую устойчивость ландшафта к антропогенному воздействию.

На территории России в тундровом типе выделяется 5 отделов:

1. Умеренно-континентальные тундры без многолетней мерзлоты (запад Кольского полуострова).

2. Умеренно-континентальные и континентальные тундры с многолетней мерзлотой (европейская Россия и Западная Сибирь).

3. Резкоконтинентальные тундры с многолетней мерзлотой (Восточная Сибирь).

4. Приокеанические и океанические мерзлотные тундры (Чукотка, Охотское побережье, часть Камчатки и др.).

5. Приокеанические тундры без многолетней мерзлоты (Командоры, юг Камчатки, Курилы и др.).

ПРИМИТИВНО-ПУСТЫННЫЕ ЛАНДШАФТЫ

Эти ландшафты распространены в различных климатических условиях, но наибольшую площадь занимают в полярных районах, пустынях и высокогорьях. Биомасса мала, основную роль в бике играют водоросли и микроорганизмы, частично лишайники и грибы. Высшие растения отсутствуют или число крайне ограничено. Некоторые примитивно-пустынные ландшафта можно рассматривать как результат деградации ландшафтов других групп под влиянием ухудшения условий существования организмов: понижения температуры, увеличение сухости, засоленности. Так, в сухих степях увеличения засоленности почв приводит к образованию шоровых солончаков, лишенные высшей растительности. Понижение температуры в начале ледникового периода привело к образованию полярных пустынь.

Современные абиогенные ландшафты. В природных условиях центральных частей Антарктиды, Гренландского ледяного щита, наиболее высоких вершин Гималаев и других хребтов бик не возможен. Эти ландшафты отно­сятся к абиогенному ряду. Отсутствие бика не исключает продукты всей био­сферы Земли — кислородной атмосферы, известняков и других осадочных пород. Для таких абиогенных ландшафтов характерна важнейшая особенность всех земных ландшафтов — взаимопроникновение атмо-, лито- и гидросфе­ры. Главнейшее значение имеют агрегатные преобразования воды: водяной пар жидкая вода лед. Возможны и другие химические процессы, но число их невелико, реакции относительно просты. Энергетика абиогенных ландшафтов примитивна, их однообразие говорит о малом количестве ин­формации самой простой ее формы — неорганической информации.

Антропогенное воздействие на ландшафты. Источники воздействия. Техногенные геохимические аномалии.


Антропогенное воздействие на ландшафты

Техногенез – совокупность геохимических и геофизических процессов, связанных с деятельностью человека, уже значительно изменивших и продолжающих изменять геохимическую обстановку в биосфере. В геохимическом аспекте техногенез включает:

1) извлечение химических элементов из природной среды и их концентрацию;

2) перегруппировку химических элементов, изменение химического состава соединений, в которые эти элементы входят, а также создание новых веществ;

3) рассеяние вовлеченных в техногенез элементов в окружающей среде. Отрицательное действие техногенеза объединяется понятием загрязнение природной среды.

Степень использования элемента по отношению к его содержанию в литосфере называют технофильностью элемента. Наиболее высокую глобальную технофильность имеют Cl, C, она весьма высока у Pb, Sb, Zn, Cu, Sn, Mo, Hg.

М. А. Глазовская – автор представления о технобиологических пространственных физико-географических единицах, обладающих сходной реакцией на одно и то же геохимическое воздействие. Была разработана схема районирования территории по вероятной интенсивности самоочищения от продуктов техногенеза по основным показателям:

• 
  частота штилей,
  
• 
  величина стока,
  
• 
  величина ультрафиолетовой радиации (чем больше УФ радиация, тем больше интенсивность разложения загрязняющих веществ),
  
• 
  число дней с грозами (озон, выделяющийся при грозе, также ускоряет разложение).
  

• 
  энергия и время разложения растительного опада,
  
• 
  щелочно-кислотные условия,
  
• 
  окислительно-восстановительные условия.
  

Загрязнение окружающей среды в значительной степени связано с численностью населения, промышленным производством, потреблением топлива. В настоящее время широкое распространение получают техногенные геохимические аномалии. Выделяют следующие группы техногенных геохимических аномалий:

1. 
   Глобальные – например, содержание радионуклидов (в результате ядерных испытаний);
   
2. 
   Макрорегиональные – например, выбросы серы (Европа, Северная Америка, Юго-Восточная Азия); играет роль не только наличие выбросов на данной территории, но и трансграничный перенос;
   
3. 
   Региональные – от конкретных единичных, но очень мощных источников, например, Чернобыль, крупные промышленные города, районы; районы нефтедобычи.
   
4. 
   Локальные – отдельные предприятия, автомагистрали.
   

Геохимическое состояние городской среды наряду с природными условиями определяется количеством техногенных источников, находящихся на территории города, их расположением, мощностью и качественным составом загрязняющих веществ. В крупных промышленных центрах происходит аккумулятивное воздействие на природную среду и человека различных видов производств, транспорта, муниципальных и других отходов. Главные источники загрязнения – неутилизированные промышленные и коммунально-бытовые отходы, содержащие токсичные химические элементы.

Техногенные отходы подразделяются на:

жидкие и твердые отходы (преднамеренно собираемые и депонируемые), стоки (поступают в окружающую среду в виде жидких потоков, содержащих твердые взвешенные частицы),

выбросы (рассеяние в атмосфере загрязняющих веществ в твердой, жидкой и газообразной форме).

Для проведения мониторинга техногенные отходы делятся на:

По степени аномальности относительно кларков литосферы первое место занимают выбросы предприятий (в пыли особенно сильно концентрируются вольфрам, сурьма, свинец, кадмий, никель), немного меньше нагрузка от отходов, третье место занимают стоки.

Среди выбросов:

• 
  27% составляет электроэнергетика,
  
• 
  20% цветная металлургия,
  
• 
  15% черная металлургия.
  

Твердые отходы по отраслям: черная металлургия – Mn, Cr, V (n-10n, сравнимы с кларком); цветная металлургия – Zn, Pb (1000n); Cu, Cr (100n); машиностроение – Cd (1000n); Mn, Cr, W (10-100n); химическая промышленность – Cd, Co (1000n); легкая промышленность – Cr (1000n).

Для оценки источников воздействия важно сначала провести оценку природно-геохимического фона окружающей территории. Такая оценка включает получение детальной информации о региональной литогеохимической и биогеохимической специализации эталонных фоновых участков, расположенных вне влияния промышленного и сельскохозяйственного загрязнения, их радиальной и латеральной структуре.

Загрязнение основных депонирующих сред в городах

Снег как депонирующая среда

Снег обладает высокой сорбционной способностью и осаждает из атмосферы на земную поверхность значительную часть продуктов техногенеза. Изучение химического состава снежного покрова позволяет выявить пространственные ареалы загрязнения и количественно рассчитать реальную поставку загрязняющих веществ в ландшафты в течение периода с устойчивым снежным покровом.

Выделяют пять основных групп поллютантов снежного покрова: 1) макрокомпоненты снеговых вод – пыль, сульфатные и гидрокарбонатные ионы, кальций, фтора, хлор, минеральные формы азота и фосфора и др.; 2) тяжелые металлы и другие микроэлементы, органические соединения; 3) фенолы, формальдегид и др.; 4) полициклические ароматические углеводороды (ПАУ); 5) радионуклиды.

При поступлении больших количеств пыли в окружающую среду часто происходит подщелачивание снеговых вод до 8,5-9,5 (рН), увеличение содержания кальция, магния, гидрокарбонат-ионов. Это связано с цементной, строительной промышленностью, теплоэнергетикой, черной металлургией, производством аммиака. При этом образуется карбонатный геохимический барьер, на нем осаждаются многие тяжелые металлы.

Поставка оксидов серы (тепловые станции на угле, цветная металлургия, коксо- и нефтехимия) ведет, наоборот, к подкислению снеговых вод. Иногда в снежном покрове наблюдается зональность щелочно-кислотных условий.

При подкислении и подщелачивание происходит увеличение минерализации и техногенная трансформация состава вод. Для оценки степени трансформации используется коэффициент К, показывающий возрастание отношения SO₄^2-/Cl^- в снеговой воде к этому же эталонному отношению в морской воде. Значение К > 10 характеризует сильную трансформацию состава вод и степень их сульфатизации.

Среди ПАУ наиболее токсичны 3,4-бензпирен (БП) и 1,12-бензперилен (БПЛ), особенно часто определяемые в объектах окружающей среды. В настоящее время 3,4-бензпирен в 70-80% случаев занимает первое место среди веществ, определяющих высокий уровень загрязнения в городах бывшего СССР. Многие ПАУ канцерогенны, поэтому изучение их распространения имеет еще и медико-гигиеническое значение.

По характеру геохимического изменения естественных и слабо измененных городских почв относительно фоновых почв региона можно судить о степени их техногенной трансформации. Как правило, техногенные ореолы в почвах фиксируют интенсивность загрязнения в течение последних 20-50 лет. Ореолы в почвах более статичны, чем в воздухе, снеге и растениях, т. к. они способны аккумулировать поллютанты в течение всего периода техногенного воздействия.

Загрязняющие вещества в почвах делятся на две группы по своему эффекту. Педогеохимически активные вещества изменяют щелочно-кислотные, окислительно-восстановительные условия в самих почвах. Это в основном нетоксичные и слаботоксичные элементы с высокими кларками – Fe, Ca, Mg, щелочи и минеральные кислоты. Биохимически активные вещества действуют прежде всего на живые организмы. Это обычно типоморфные для каждого вида производства высокотоксичные поллютанты с низкими кларками – Hg, Cd, Pb, Sb, Se.

В городской пыли преобладают макроэлементы – Fe, Ca, Mn. С этим связано ожелезнение и карбонитизация почв. Ожелезнение почти не влияет на щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия миграции элементов. Карбонитизация ведет к увеличению щелочности, насыщению ППК основаниями, связыванию многих металлов в труднорастворимые карбонаты.

Аномальные зоны тяжелых металлов в почвах – участки наиболее интенсивного воздействия на городскую среду, ни служат индикаторами техногенного загрязнения (промышленность, теплоэнергетика, автотранспорт, муниципальные отходы) и представляют опасность для растений, животных и человека, особенно детей.

Для экологической и санитарно-гигиенической оценки загрязнения почв используются ПДК элементов. Предельно допустимый уровень состояния почв – уровень, при котором начинает изменяться оптимальное количество и качество создаваемого вновь живого вещества, т. е. биологическая продукция.

В полиэлементных очагах загрязнения токсичность отдельных элементов может суммироваться и оказывать синэргетическое воздействие на живые организмы. Одним из простых способов оценки контрастности комплексных техногенных ореолов является расчет суммарных показателей загрязнения.

Наиболее высокие средние уровни суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами (Z_C > 120, до 500-1000) установлены для городов с цветной и черной металлургией. Сильные загрязнение также характерно для центров тяжелого машиностроения, приборостроения, нефтехимии.

Распределение подвижных форм элементов во многом определяется ландшафтно-геохимическими условиями. Особенно интенсивны аномалии в почвах автономных ландшафтов и наветренных к техногенным источникам склонов, а также в городских супераквальных ландшафтах побережий рек, озер и водохранилищ, куда загрязняющие вещества поступают со всеми видами стока.

Биогеохимия городской среды

Растения – один из наиболее чутких индикаторов техногенного изменения состояния городской среды. Городские растения испытывают негативное воздействие значительного числа поллютантов: оксидов серы, азота и углерода, тяжелых металлов, соединений фтора и др. Наибольшую опасность представляют выбросы в атмосферу диоксида серы SO₂, содержащегося в продуктах сгорания угля, нефти и мазута, а также HF.

Растительный покров является первым экраном на пути осаждения атмосферных выпадений. Металлосодержащие аэрозоли адсорбируются поверхностью листьев (Pb), механическим путем или в растворенном виде проникают в устьица (Zn, Cd). Аккумуляция металлов растениями зависит от: а) особенностей поверхности растения; б) количества, рН атмосферных осадков, скорости ветра и влажности воздуха, определяющих вынос элементов из растений; в) физических и химических свойств загрязняющих веществ.

Биогеохимическая индикация, в отличие от изучения снежного покрова, дает информацию о загрязнении преимущественно в теплое время – период вегетации растений и активной водной миграции.

Обычно в городах пробы растительного покрова берутся через 500 м, т. е. 9 проб на 1 км², что соответствует примерно 1000 проб на город. Существует два основных подхода биомониторинга состояния города:

1. 
   Активный биомониторинг – использование в качестве депонирующих средств специальных растений, в основном низших растений. Таблетки со сфагнумом, эпифитными лишайниками, табаком кладут в специальные планшеты, расставляют по территории город и наблюдают за ними в течение некоторого времени (концентрации и поставки, т. е. массу за какой-либо период загрязняющих веществ).
   
2. 
   Пассивный биомониторинг – использование тех растений, которые растут на территории города (аналогично использованию снега и почвы).
   

Существует два основных вида соотношения элементов в растениях и содержания элементов в питающей среде: барьерная и безбарьерная (прямая) зависимость. Барьерная зависимость характеризуется наличием барьера поглощения какого-либо элемента растением, который не может быть превышен – при дальнейшем росте концентрации растение гибнет. Такой вид зависимости характерен, например, для U (в то время как сопутствующий урану Ra характеризуется безбарьерной зависимостью). Барьерная зависимость обычно характерна для вегетативных органов растений. Безбарьерная зависимость обычно характерна для невегетативных органов.

Содержание загрязняющих веществ в почвах, растениях и снеге и их распространение зависит от форм нахождения элементов в выбросах. Поэтому в разных случаях лучше использовать анализ разных депонирующих сред.

Геохимия городских ландшафтов

Ландшафтно-геохимический анализ состояния городов

Урбанизированные районы являются самыми техногенными ландшафтами. В СССР первые широкие прикладные геохимические исследования городов были начаты в 1970-х гг. под руководством Ю. Е. Саета (геохимическое обследование Москвы, составление эколого-геохимической карты города).

Судьба загрязняющих веществ в городской среде зависит от внутренних (химических, токсикологических) и внешних (условий миграции, свойств городского ландшафта, систем геохимических барьеров и др.) факторов. Поэтому важным блоком эколого-геохимических оценок городов являются ландшафтно-геохимические исследования, направленные на анализ техногенных потоков загрязняющих веществ в ландшафтах, трансформации природной среды, радиальной и латеральной структур, устойчивости природно-антропогенных ландшафтов к загрязнению.

Экологические блоки любого города, между которыми формируются потоки загрязняющих веществ, условно делятся на три группы: а) источники выбросов, к которым относится промышленный комплекс города, городское жилищно-коммунальное хозяйство и транспорт; б) транзитные среды, непосредственно принимающие выбросы, где происходит транспортировка и частичная трансформация загрязняющих веществ – атмосфера, атмосферные выпадения (дождь, снег, пыль), временные и постоянные водотоки, поверхностные воды и водоемы, грунтовые воды; в) депонирующие среды, в которых накапливаются и преобразуются техногенные веществ – донные отложения, почвы (особенно участки геохимических барьеров), растения, микроорганизмы, городские сооружения, население города, снежный покров.

При экологической оценке городов изучается главным образом не эмиссия загрязняющих веществ от техногенных источников, на оценку которой ориентированы системы ведомственного мониторинга, а имиссия поллютантов, т. е. их реальное распределение в депонирующих природных средах.

Первым этапом эколого-геохимической оценки является инвентаризация источников загрязнения. Составляются “экологические паспорта” на все источники загрязнения. Только на втором этапе анализируются депонирующие среды.

где Р – количество пыли, тыс. т/год; N – численность населения на данной территории. Также рассчитывается коэффициент E₂ – на единицу площади.