Учебно-методический комплекс нижний Новгород 2013 г

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.

Коэффициент эмиссии:

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

Городские ландшафты относятся к отряду антропогенных селитебных ландшафтов (также могут быть отряды агроландшафтов, биогенных ландшафтов), характеризующимся ведущей ролью техногенной миграции веществ, наличием искусственного рельефа, концентрацией населения.

1. 
   L (менее 0,3 т/чел год – многие крупные и средние города с машиностроительной специализацией);
   
2. 
   M (0,3-1) – крупные города с нефтехимической и химической промышленностью и другие промышленные центры;
   
3. 
   N (1-2) – города черной и цветной металлургией, тяжелым машиностроением, химической промышленностью (Липец, Нижний Тагил, Ангарск);
   
4. 
   Р (2-3) – Новотроицк, Красноперекопск, Череповец, Магнитогорск;
   
5. 
   R (3-5) – Темиртау;
   
6. 
   S (более 5) – Норильск (около 12-13 т/чел год).