Эколого-гигиеническая оценка состояния почвенного покрова промышленного региона

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

промышленный загрязнение почва антропогенез

Загрязнение почв в Республике Казахстан является актуальной задачей и имеет статус не только республиканского, но и международного значения.

Биосфера - это среда жизнеобитания человека и состояние любого его компонента влияет на благополучие и здоровье людей. Техногенное загрязнение окружающей среды, оказывающее негативное влияние на количественные и качественные показатели сельскохозяйственной продукции, приобретает глобальный характер и ставит человечество на грань экологической катастрофы.

Накопление тяжелых металлов в почве - это не только увеличение их содержания, но и нарастание экологически опасных последствий, создающих угрозу здоровью человека. Наиболее остро проблемы, связанные с поступлением тяжелых металлов (ТМ) в почвы, стоят в регионах с большой степенью концентрации производства и населения.

Загрязнение почв от газопылевых выбросов промышленных предприятий и ГЭС, особенно работающих на угле, от выбросов автомобилей, от внесения высоких доз разных видов удобрений, гербицидов, пестицидов при интенсивной системе земледелия более опасно по сравнению с другими видами деградации почв. Проблема «почва - человек» осложняется урбанизацией, все большим использованием земель, их ресурсов для индустриального и жилищного строительства, ростом потребностей в продуктах питания. По воле человека изменяется характер почвы, меняются факторы почвообразования - рельеф, микроклимат, появляются новые реки и т.д. Под влиянием промышленных и сельскохозяйственных загрязнений изменяются свойства почвы и почвообразовательные процессы, потенциальное плодородие, снижается технологическая и питательная ценность сельскохозяйственной продукции.

Антропогенное загрязнение окружающей среды оказывает мощное воздействие на формирование популяционного здоровья населения, поэтому комплексная оценка состояния среды обитания является одним из приоритетных направлений гигиенических исследований, она позволяет оценивать риск возникновения изменений в состоянии здоровья населения. В настоящее время тяжелые металлы являются признанными приоритетными загрязнителями атмосферного воздуха, воды водоемов и почвы в глобальном и региональном масштабе. Из-за своей высокой миграционной способности, склонности к биоаккумуляции, политропности металлы представляют опасность для человека не только при непосредственном воздействии на организм, но и через негативное влияние на санитарно-гигиенические показатели объектов окружающей среды. Свинец входит в состав более 200 минералов. Естественно, что их добыча и выплавка металлов из них сопровождается поступлением в воздух свинца и его соединений. Многие годы это было основным источником поступления свинца в окружающую среду. В последние годы на первое место в загрязнении окружающей среды свинцом вышло сжигание этилированного бензина и каменного угля, содержащего свинец до 25 мг/кг. От одного автомобиля выброс свинца составляет до 1 кг/год; 10% добываемого в мире свинца поступает в атмосферный воздух от автомобильного транспорта, ежегодный выброс в атмосферу пыли, содержащей свинец с дисперсностью менее 5 мкм, достигает 1600 млн. т/год. Естественным содержанием свинца в атмосфере считается 0,0005 мкг/м³ воздуха, однако его концентрации в городах и на автомагистралях на 3 порядка выше естественного фона: на центральных улицах, например, до 2-4 мкг/м³. Главными нестационарными источниками загрязнения окружающей среды свинцом, помимо автотранспорта, являются авиация, использующая свинецсодержащий бензин, и ракетно-космическая техника, а также охота, загрязняющая водно-болотные уголья свинцовой дробью. Основной вклад в загрязнение свинцом окружающей среды стационарными источниками вносят предприятия цветной металлургии. Большое количество свинца выбрасывается в атмосферу при сжигании топлива (уголь, нефть, газ) для общих энергетических потребностей. Другими стационарными источниками выбросов свинца являются предприятия стекольной промышленности, оборонная промышленность, химическая и нефтехимическая промышленность. Твердые бытовые отходы (отработанные аккумуляторы, битое стекло, остатки краски, консервные банки со свинецсодержащим припоем и др.) также представляют существенный источник загрязнения окружающей среды свинцом. Комиссией экспертов ВОЗ в 1969 г. в качестве максимальной концентрации свинца в атмосферном воздухе признана величина на уровне 14-25 мкг/м³. На большей части СНГ свинца в атмосферных осадках содержится обычно 1-3 мкг/л, реже до 10 мкг/л. в городах с населением до 0,1 млн. человек концентрации свинца в воздухе 1,5 мкг/м³, при численности более 2 млн. человек - 2,9 мкг/м3.В подземных водах содержание свинца колеблется в пределах 1-60 мкг/л, в поверхностных пресных водах от 1 до 10 мкг/л; содержание в озерах и реках повсеместно 1-10 мкг/л. Концентрация свинца в водоемах санитарно-бытового назначения регламентируется в СНГ на уровне 0,03 мг/л и 0,1 мг/л - в водоемах, используемых для рыбохозяйственных целей, по токсикологическому показателю. Для морских водоемов эта ПДК принята в 10 раз ниже - 0,01 мг/л. Загрязнение почвы, как отмечалось выше, происходит за счет сгорания автомобильного и других видов топлива, выбросов металлургических предприятий и другими путями. Содержание свинца в почве в окрестностях горно-металлургических предприятий зависит от расстояния, рельефа местности, розы ветров. Накапливается свинец в слое почвы толщиной 4-5 или даже 30 см. В сильноподзолистой легкой суглинистой почве обнаруживается 4-10 мг/кг свинца, в черноземе - 13-28 мг/кг. Содержание свинца в почве вблизи автодорог на расстоянии 140-200 м в 5-10 раз выше, чем в почвах, защищенных лесополосой. Интересны данные о биотрансформации соединений свинца в почве под воздействием микроорганизмов: за два месяца количество подвижных форм свинца в черноземе и супесчаной почве снижается с 90 до 55%. А в стерильных условиях свинец накапливается корнями растений больше, чем в присутствии обычной микрофлоры .В свою очередь, свинец в любых дозах способен снижать число гетеротрофных микроорганизмов в почве; в дозе 10 мг/кг почвы свинец изменяет микробиоценоз, поэтому в качестве ПДК, лимитируемой изменениями микробиоценоза, предложена ПДК свинца в почве 20 мг/кг. Важно учитывать характер почв при оценке опасности загрязнения их свинцом, так как для каждого типа почв разные ОДК (ориентировочно допустимые концентрации). Уровень содержания свинца в почве определяет его наличие в растениях и всей пищевой цепочке. Свинец накапливается в вегетативных органах растений неравномерно: в листьях его больше, чем в стеблях. Однако, в зерне меньше, чем в остальных вегетативных органах зерновых культур. Загрязненная свинцом почва является источником его поступления в продовольственное сырье и непосредственно в организм человека, особенно детей. Прямое поступление с почвой и пылью оценивается в 10-12 %. Обычно с пищей и водой человек получает свинца 20-200 мкг/сутки, а с запыленным воздухом до 100 мкг/сутки; поступление его в организм в количестве 0,2-2,0 мг/сутки считается безопасным. Полагают, что свинец не является биогенным микроэлементом, однако высказывается мнение, что поступление его с пищей в количестве 0,33 мг/сутки не только не вызывает отрицательного эффекта, но и, возможно, необходимо человеку. Для растительности на техногенно загрязненных территориях характерны более высокие концентрации свинца (до 1000 мг/кг): в окрестностях металлургических предприятий, рудников по добыче полиметаллов и, главным образом, вдоль автострад (ширина придорожных аномалий содержания свинца в почве может достигать 100-150 м. На загрязненных свинцом почвах безопасно выращивать зерновые культуры. Возделывание в этих зонах овощей, кукурузы на силос, кормовых трав может оказаться рискованным. Свинец - яд политропного действия, что определяет многообразие патогенетических механизмов сатурнизма. Однако, ведущим является инактивация ферментов вследствие связывания свинцом сульфгидрильных групп активных центров энзимов. Это наиболее существенно проявляется нарушениями биосинтеза порфиринов и гема, а также изменениями активности ряда эритроцитарных и печеночных ферментов. Из-за высокого сродства к свинцу дегидратазы АЛК в первую очередь снижается ее активность даже при воздействии в минимальных концентрациях. Следствием угнетения активности дегидратазы АЛК, а также декарбоксилазы копропорфирина является увеличение содержания АЛК и копропорфирина в моче. Возможно воздействие свинца и на гемсинтетазу. Тормозящее действие свинца на активность синтетазы, регулирующей соединения протопорфирина (ПП) с железом, сопровождается увеличением ПП эритроцитов и железа сыворотки. Возможен также синтез порфиринов непосредственно из АЛК, в связи с чем повышение уровня ПП эритроцитов может наблюдаться без гиперсидеремии. Помимо энзимопатического действия свинец нарушает процесс утилизации железа и синтез глобина [1,c.57].

Загрязненная свинцом почва является источником его поступления в продовольственное сырье и непосредственно в организм человека, особенно детей. Наиболее высокие концентрации свинца обнаруживаются в почве городов, где расположены предприятия по выплавке свинца, производству свинецсодержащих аккумуляторов или стекла. Свинец содержится в выбросах предприятиями металлургии, металлообработки, электротехники, нефтехимии и автотранспорта. Влияние свинца на здоровье происходит при вдыхании воздуха, содержащего свинец, и поступлении свинца с пищей, водой, на пылевых частицах. Свинец является одним из наиболее токсичных металлов и включен в списки приоритетных загрязнителей рядом международных организаций, в том числе ВОЗ, ЮНЕП, Американским агентством по контролю за токсичными веществами и заболеваниями (CDC), и другими аналогичных государственными организациями в различных странах.

Таким образом, проблема эколого-гигиенической оценки загрязнения почвы является актуальной и в настоящее время.

Цель работы: эколого-гигиеническая оценка состояния почвенного покрова промышленного региона.

Задачи исследования:

1.Дать характеристику промышленного города - как источника загрязнения.

2.Определить уровень загрязнения почвы тяжелыми металлами.

3.Дать комплексную оценку экологической ситуации в г.Балхаш с учетом загрязнения почвы тяжелыми металлами.

1. ЭКОЛОГО-ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ПРОМЫШЛЕННОГО РЕГИОНА

Почва - одно из самых первых природных образований в геологической истории планеты Земля. По данным палеографических исследований, первая маломощная почва возникла в кембрийский период - более 500 млн. лет назад. Поскольку в то время на Земле еще не было наземных растений, почва формировалась в результате лишь жизнедеятельности бактерий. Исследованием почв занимается наука почвоведение. Она изучает многообразие почв на земном шаре, их происхождение, строение, состав, свойства, в том числе плодородие, распространение и рациональное использование.

Почва состоит из твердой, жидкой, газообразной и живой частей. Соотношение их неодинаково не только в разных почвах, но и в различных горизонтах одной и той же почвы. Закономерно уменьшение содержания органических веществ и живых организмов от верхних почвенных горизонтов к нижним и увеличение интенсивности преобразования компонентов материнской породы от нижних горизонтов к верхним [2, c.95].

В твердой части почвы преобладают минеральные вещества литогенного происхождения. Это различные по размеру обломки и частички первичных минералов (кварца, полевых шпатов, роговых обманок, слюды и др.), формирующихся в процессе выветривания вторичных минералов (гидрослюды, монтмориллонита, каолинита и др.) и горных пород. Размеры этих обломков и частичек разнообразны - от 0,0001 мм до нескольких десятков см. Этим разнообразием размеров обуславливается рыхлость сложения почвы. Основную массу почвы составляет обычно мелкозем - частицы с диаметром менее 1 мм.

Минералогический состав твердой части почвы во многом определяет ее плодородие. В состав минеральных веществ входят: Si, Al, Fe, К, Mg, Ca, С, N, Р, S, значительно меньше микроэлементов: Cu, Mo, I, В, F, Pb и др. Подавляющее большинство элементов находится в окисленной форме. Во многих почвах, преимущественно в почвах недостаточно увлажняемых территорий, содержится значительное количество карбоната кальция CaCO3 (особенно если почва образовались на карбонатной породе), в почвах засушливых областей - CaSO₄ и другие более легко растворимые соли (хлориты); почвы, влажных тропических областей обогащены Fe и Al. Однако реализация этих общих закономерностей зависит от состава почвообразующих пород, возраста почв, особенностей рельефа, климата и т.д. В состав твердой части почвы входит и органическое вещество. В почве есть две группы органических веществ: попавшие в почву в виде растительных и животных остатков и новые, специфические гумусовые вещества, возникшие при преобразовании этих остатков. Между этими группами почвенного органического вещества - постепенные переходы, в соответствии с этим содержащиеся в почве органические соединения также разделяются на две группы.

К первой группе относятся соединения, содержащиеся в большом количестве в растительных и животных остатках, а также соединения, являющиеся продуктами жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов. Это белки, углеводы, органические кислоты, жиры, лигнин, смолы и др. Эти соединения в сумме составляют всего 10-15% от всей массы органического вещества почвы.

Вторая группа органических соединений почвы представлена сложным комплексом из гумусовых веществ, или гумуса, возникшего в результате сложных биохимических реакций из соединений первой группы. Гумусовые вещества составляет 85-90% органической части почвы, они представлены сложными высокомолекулярными соединениями кислотного характера. Главными группами гумусовых веществ являются гуминовые кислоты и фульвакислоты. В элементном составе гумусовых веществ важную роль играют углерод, кислород, водород, азот и фосфор. В гумусе содержатся основные элементы питания растений, которые под воздействием микроорганизмов становятся доступными для растений. Содержание гумуса в верхнем горизонте разных типов почв колеблется в широких пределах: от 1% в серо-бурых пустынных почвах до 12-15% в черноземах. Разные типы почв отличаются характером изменения количества гумуса с глубиной. Жидкая часть почвы или, как ее еще называют, почвенный раствор - это содержащаяся в почве вода с растворенными в ней газами, минеральными и органическими веществами, попавшими в нее при прохождении через атмосферу и просачивании через почвенную толщу. Состав почвенной влаги определяется процессами почвообразования, растительностью, общими особенностями климата, а также временем года, погодой, деятельностью человека (внесение удобрений и др.).Почвенный раствор играет огромную роль в почвообразовании и питании растений. Основные химические и биологические процессы в почве могут идти только при наличии свободной воды. Почвенная вода является той средой, в которой происходит миграция химических элементов в процессе почвообразования, снабжение растений водой и растворенными элементами питания. Газообразная часть, или почвенный воздух, заполняет поры почвы, не занятые водой. Суммарный объем почвенных пор (порозность) составляет от 25 до 60% объема почвы (см. Морфологические признаки почв). Соотношение между почвенным воздухом и водой определяется степенью увлажнения почвы.

Состав почвенного воздуха, в который входят N₂, O₂, CO₂, летучие органические соединения, пары воды и пр. существенно отличается от атмосферного и определяется характером множества протекающих в почве химических, биохимических, биологических процессов. Состав почвенного воздуха не постоянен, в зависимости от внешних условий и времени года он может существенно меняться. Например, количество углекислого газа (CO2) в почвенном воздухе значительно меняется в годовом и суточном циклах вследствие различной интенсивности выделения газа микроорганизмами и корнями растений. Огромное значение кислород в почве имеет и для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, большинство из которых относится к числу аэробов. При отсутствии доступа воздуха деятельность аэробных бактерий прекращается, а в связи с этим прекращается и образование в почве необходимых для растений питательных веществ. Кроме того, в анаэробных условиях возникают процессы, которые приводят к накоплению в почве вредных для растений соединений. Живая часть почвы состоит из почвенных микроорганизмов и почвенных животных. Активная роль живых организмов в формировании почвы определяет принадлежность ее к биокосным природным телам - важнейшим компонентам биосферы [3,c.138].

Образование почвы - очень длительный процесс. Формирование ее начинается с разрыхления горных пород на их поверхности (выветривания). Образовавшиеся при этом щебенка или песок - это еще не почва, а материнская порода. Под воздействием ветра, атмосферной влаги, изменений климата, температурных колебаний и живых организмов материнская порода изменялась.

На ней поселялись микроорганизмы, которые питались веществами, получаемыми из горной породы. Микроорганизмы разрушали ее своими выделениями, и состав горной породы постепенно изменялся. Затем здесь поселялись низшие растения, мхи, лишайники. Микроорганизмы разлагали их остатки, образуя гумус - основное органическое вещество почвы, содержащее питательные вещества, необходимые высшим растениям. Насекомые, другие мелкие почвенные животные, например, дождевые черви, измельчая и переваривая отмершие листья, корни, стебли, перерабатывают органическое вещество, превращая его в гумус. Растительный опад в лесах - листья, кора, хвоя и отмершая травянистая растительность после разложения микроорганиз-мами дают много органического вещества, увеличивая мощность почвы.

Влияние человека на образование почв различно. С одной стороны, человек улучшает плодородие почвы, используя удобрения, орошая землю, осушая болота, с другой стороны, постоянно используя целинные и залежные земли, подвергает почву ветровой эрозии. Проблема «почва - человек» осложняется урбанизацией, все большим использованием земель, их ресурсов для индустриального и жилищного строительства, ростом потребностей в продуктах питания. По воле человека изменяется характер почвы, меняются факторы почвообразования - рельеф, микроклимат, появляются новые реки и т.д. Под влиянием промышленных и сельскохозяйственных загрязнений изменяются свойства почвы и почвообразовательные процессы, потенциальное плодородие, снижается технологическая и питательная ценность сельскохозяйственной продукции и т.д.

Почва в городах и прочих населенных пунктах и их окрестностях уже давно отличается от природной, биологически ценной почвы, играющей важную роль в поддержании экологического равновесия. Почва в городах подвержена тем же вредным воздействиям, что и городской воздух и гидросфера, поэтому повсеместно происходит значительная ее деградация. Гигиене почвы не уделяется достаточного внимания, хотя ее значение как одного из основных компонентов биосферы (воздух, вода, почва) и биологического фактора окружающей среды еще более весомое, чем воды, поскольку количество последней (в первую очередь качество подземных вод) определяется состоянием почвы, и отделить эти факторы друг от друга невозможно. Почва обладает способностью биологического самоочищения: в почве происходит расщепление попавших в нее отходов н их минерализация; в конечном итоге почва компенсирует за их счет утраченные минеральные вещества. Если в результате перегрузки почвы будет утерян любой из компонентов ее минерализирующей способности, это неизбежно приведет к нарушению механизма самоочищения и к полной деградации почвы. И, напротив, создание оптимальных условий для самоочищения почвы способствует сохранению экологического равновесия и условий для существования всех живых организмов, в том числе и человека. Поэтому проблема обезвреживания отходов, оказывающих вредное биологическое действие, не сводится только к вопросу их вывоза; она является более сложной гигиенической проблемой, так как почва является связующим звеном между водой, воздухом и человеком.

Биологическая взаимосвязь между почвой и человеком осуществляется главным образом путем обмена веществ. Почва является как бы поставщиком минеральных веществ, необходимых для цикла обмена веществ, для роста растений, потребляемых человеком и травоядными животными, съедаемыми в свою очередь человеком и плотоядными животными. Таким образом, почва обеспечивает пищей многих представителей растительного и животного мира. Следовательно, ухудшение качества почвы, понижение ее биологической ценности, способности к самоочищению вызывает биологическую цепную реакцию, которая в случае продолжительного вредного воздействия может привести к самым различным расстройствам здоровья у населения. Более того, в случае замедления процессов минерализации образующиеся при распаде веществ нитраты, азот, фосфор, калий и т. д. могут попадать в используемые для питьевых нужд подземные воды и явиться причиной серьезных заболеваний (например, нитраты могут вызвать метгемоглобинемию, в первую очередь у детой грудного возраста).

Потребление воды из бедной йодом почвы может стать причиной эндемического зоба и т. д. Человек добывает из почвы воду, необходимую для поддержания процессов обмена веществ и самой жизни. Качество воды зависит от состояния почвы; оно всегда отражает биологическое состояние данной почвы [5,c.62].

Это в особенности относится к подземным водам, биологическая ценность которых существенно определяется свойствами грунтов и почвы, способностью к самоочищению последней, ее фильтрационной способностью, составом ее макрофлоры, микрофауны и т. д.

Прямое влияние почвы на поверхностные воды уже менее значительно, оно связано главным образом с выпадением осадков. Например, после обильных дождей из почвы смываются в открытые водоемы (реки, озера) различные загрязняющие вещества, в том числе искусственные удобрения (азотные, фосфатные) , пестициды, гербициды, в районах карстовых, трещиноватых отложений загрязняющие вещества могут проникнуть через щели в глубоко расположенные подземные воды. Несоответствующая очистка сточных вод также может стать причиной вредного биологического действия на почву и в конечном итоге привести к ее деградации. Поэтому охрана почвы в населенных пунктах представляет одно из основных требований охраны окружающей среды в целом. Проблема осложняется тем, что в результате образования все большего количества твердых отходов в городах почва в их окрестностях подвергается все более значительным нагрузкам. Свойства и состав почвы ухудшаются все более быстрыми темпами.

Из произведенных в США 64,3 млн. т бумаги 49,1 млн. т попадает в отходы (из этого количества 26 млн. т «поставляет» домашнее хозяйство, а 23,1 млн. т -- торговая сеть). В связи с изложенным удаление и окончательное обезвреживание твердых отходов представляет весьма существенную, более трудно осуществимую гигиеническую проблему в условиях усиливающейся урбанизации. Окончательное обезвреживание твердых отходов в загрязненной почве представляется возможным. Однако ввиду постоянно ухудшающейся способности к самоочищению городской почвы окончательное обезвреживание отходов, закапываемых в землю, невозможно.

Человек мог бы с успехом воспользоваться для обезвреживания твердых отходов биохимическими процессами, происходящими в почве, ее обезвреживающей и обеззараживающей способностью, однако городская почва в результате многовекового проживания в городах человека и его деятельности уже давно стала непригодной для этой цели.

Механизмы самоочищения, минерализации, происходящие в почве, роль участвующих в них бактерий и энзимов, а также промежуточные и конечные продукты распада веществ хорошо известны. В настоящее время исследования направлены на выявление факторов, обеспечивающих биологическое равновесие природной почвы, а также на выяснение вопроса, какое количество твердых отходов (и какой их состав) может привести к нарушению биологического равновесия почвы. Необходимо отметить, что гигиеническое состояние почвы в городах в результате ее перегрузки быстро ухудшается, хотя способность почвы к самоочищению является основным гигиеническим требованием для сохранения биологического равновесия. Почва в городах уже не в состоянии справиться без помощи человека со своей задачей. Единственный выход из создавшегося положения -- полное обезвреживание и уничтожение отходов в соответствии с гигиеническими требованиями. Поэтому деятельность по строительству коммунальных сооружений должна быть направлена на сохранение природной способности почвы к самоочищению, а если эта ее способность стала уже неудовлетворительной, то надо восстановить ее искусственным путем.

Наиболее неблагоприятным является токсическое действие промышленных отходов -- как жидких, так и твердых. В почву попадает все большее количество таких отходов, с которыми она не в состоянии справиться. Так, например, установлено загрязнение почвы мышьяком в окрестностях заводов по производству суперфосфатов (в радиусе 3 км). Как известно, некоторые пестициды, такие, как хлорорганические соединения, попавшие в почву, длительно не подвергаются распаду.

Подобным же образом обстоит дело и с некоторыми синтетическими упаковочными материалами (поливинилхлорид, полиэтилен и т. д.).

Некоторые токсические соединения рано пли поздно попадают в подземные воды, в результате чего нарушается не только биологическое равновесие почвы, но ухудшается и качество подземных вод до такой степени, что их уже нельзя использовать в качестве питьевых.

В процессе урбанизации рельеф осваиваемой территории подвергается преобразованиям в соответствии с потребностями определенного этапа развития города. Разнообразие природных условий на Земле привело к формированию неоднородного почвенного покрова с определенной закономерностью смены типа почв по природным зонам и в связи с высотной зональностью. В любой точке местности почва также неоднородна и характеризуется дифференциацией филя на более или менее четко выраженные генетические горизонты. На формирование определенного типа почвы и почвенного профиле влияют климат, материнские горные породы, которые ее подстилают, рельеф, характер водообменных процессов, тип природной растительности, характерной для данной климатической зоны, животные и микроорганизмы обитающие в почве [6, c.195].

В последние столетия важным фактором почвообразования стала деятельность человека. На урбанизированных территориях, по сравнению природными, антропогенный фактор в почвообразовании можно считать ведущим. Для городов характерны так называемые техноземы - почвы, создаваемые человеком в процессе рекультивации тех или иных объектов хозяйственного освоения участков земли. Техноземы частично наследуют свойства зональных нарушенных почв и горных пород, частично формируются под влиянием мощной техники, используемой при укладке почвенного слоя. Для них характерно отсутствие четко выраженных горизонтов, зачастую мозаичный характер окраски, повышенная плотность и, соответственно, меньшая пористость. Полнопрофильные почвы, близкие к естественным, могут сохраняться в городе в зоне лесопарков и старых парковых насаждений. Вне зависимости от типа почв основным свойством, по которому проводится их оценка, является плодородие.

1.1 Влияние процессов антропогенеза на функционирование городских почв

В современных научных разработках и классификационных построениях в настоящее время значительное внимание уделяется антропогенно преобразованным почвам и, в частности, почвам крупных населенных пунктов и промышленных районов. Это внимание во многом связано с особой ролью почвенного покрова на данных территориях. Роль почвы в городе существенна и разнообразна. Почвы, формирующиеся в урбоэкосистеме, аналогично естественным почвам, выполняют роль базисной составляющей, в них замыкаются биогеохимические круговороты веществ, происходит биохимическое преобразование культурного насыпного слоя, трансформация поверхностных вод в грунтовые, они являются питательным субстратом для растений. Почва служит банком для семян, регулятором газового обмена и т.д.

Городские почвы подвергаются сильному воздействию человека но, тем не менее, остаются биокосной многофазной системой, состоящей из твёрдой, жидкой и газообразной фаз с непременным участием живой фазы, и выполняют определённые экологические функции. В первую очередь - это пригодность для произрастания зелёных насаждений, способность сорбировать в толще загрязняющие вещества и удерживать их от проникновения в почвенно-грунтовые воды, а также от поступления пыли в городской воздух.

Почва - среда обитания микро-, мезо- и макробиоты. Она и в городе остается источником элементов питания, кладовой влаги и энергии; стимулирует и ингибирует физиологические и биохимические процессы живых организмов (в неё поступают ферменты и др. активные соединения и сохраняются в ней в активной форме, влияя на жизнь растительных и микробных сообществ). Благодаря определенным биогеохимическим свойствам и огромной активности поверхности тонко дисперсной части, почва в городе превращается в "депо" токсических соединений и одновременно становится биогеохимическим барьером для большинства соединений (тяжелых металлов, минеральных удобрений, пестицидов, нефтепродуктов и т. д.) на пути их миграции в грунтовые воды и речную сеть. Также почва препятствует вертикальному проникновению в грунт химического и биологического непосредственного загрязнения, является биогеохимическим преобразователем грунтов, мусора и свалок.

В городской среде почва является газопоглотительным барьером антропогенных газовых примесей, в том числе автотранспорта, ТЭЦ, заводов; она регулирует газовый состав атмосферы путём поглощения и выделения газов (NH₃, CO₂ и др.). Прямое участие почвы в преобразовании состава воздуха определяется во многом микроорганизмами, для которых она является средой обитания; почва сорбирует микроорганизмы, меняя их активность, скорость размножения, размеры колоний, направленность физиолого-биохимических процессов. Видовой состав почвенных микроорганизмов уникален и сильно изменился по сравнению с природными условиями. Это может привести, в частности, к изменению видового состава экосистем, исчезновению некоторых видов растений или ухудшению условий их существования, т. к. жизненные процессы растений и микроорганизмов тесно взаимосвязаны.

Почва в городе продолжает выполнять и санитарную функцию, обладая определенными антисептическими свойствами, она трансформирует продукты жизнедеятельности и уничтожает патогенную микрофлору. Болезнетворные организмы, попадая в почву, лишаются пищи, их поглощают бактериофаги, с ними конкурируют почвенные микроорганизмы. Выживаемость патогенной микрофлоры зависит от свойств и экологического состояния почвы. В связи с тем, что почва в городе выполняет важнейшие экологические функции, необходимо её изучение и принятие мер для обеспечения благоприятного экологического состояния почв в городе, что в конечном итоге сказывается на состоянии здоровья человека и его генофонде [7,c.5].

В настоящее время действие человека на почвы соизмеримо с природными почвообразователями. Существуют территории, где техногенное влияние преобладает над природным: городские территории, промышленные площади, зоны добычи полезных ископаемых, осушаемые территории и т. д. Почвы приобретают новые свойства и режимы, что, как правило, сопровождается деградацией почвы.

Деградация - это вторичное изменение, обусловленное деятельностью человека, которое сопровождается частичной или полной утратой почвенного плодородия, или оказывается причиной их уничтожения. Все многообразие видов воздействий на почвы и вызываемых ими нарушений можно сгруппировать в категории механических и химических, затрагивающих весь почвенный профиль или отдельные его горизонты. При механических воздействиях изменяется непосредственно твердая фаза либо создаются новые почвы; химические нарушения обычно сопровождаются преобразованиями жидкой и газовой фаз почвы. Городские почвы - генетически самостоятельные образования, обладающие, как чертами зональных почв, так и специфическими свойствами. Несмотря на нарушенность и искусственное создание почвенного профиля, большую засорённость его разного рода включениями, в них протекают процессы гумусообразования, выноса и перераспределения минерального вещества, глееобразования. Степень выраженности этих процессов различна и зависит от возраста наноса, условий использования участка и других обстоятельств Являясь важнейшим звеном биологического круговорота веществ, почва продуцирует основной пищевой и энергетический материал для остальных обитателей планеты. При этом она выполняет функции регулятора, поддерживающего естественный состав атмосферы за счет преобразования отмирающей биоты и продуктов производственной деятельности человека. Именно эта сторона участия почвы в биологическом круговороте веществ делает ее важнейшей составляющей экосистем городов. Использование почв в городах, как правило, имеет несельскохозяйственный характер.

Важнейшее направление городских почв их использования -создание парков, скверов, газонов, покрытий для спортивных сооружений. Дерновый слой почвенного профиля используют для крепления откосов при строительстве транспортных выемок, насыпей и т.п. Неплодородные почвы наряду с суглинками и другими грунтовыми материалами применяют для оснований при строительстве зданий. Благодаря высокой поглотительной способности почва выполняет роль фильтра для очистки поверхностного стока. Глины и суглинки используют для противофильтрационных экранов полигонов захоронения бытовых и производственных отходов. Выполняя важные средообразующие функции, почва изменяет химический состав атмосферных осадков и подземных вод, она является универсальным биологическим сорбентом, поставщиком и регулятором содержания O₂.N₂ в воздухе.

Благодаря определенным биогеохимическим свойствам и огромной активной поверхности тонкодисперсной части, почва превращается в «депо» токсических соединений и одновременно становится одним из важнейших биогеохимических барьеров для большинства соединений (тяжелые металлы, минеральные удобрения, пестициды, нефтепродукты и т.д.) на пути их миграции из атмосферы города в грунтовые воды и речную сеть. Почва переводит поверхностные сточные воды в грунтовые и очищает их, а также выполняет функцию защитного сорбционного барьера от загрязнения пресных вод и водоемов. Благодаря своим специфическим свойствам почва во многом определяет условия жизни человека в городе через выполнение санитарных и рекреационных функций. Санитарно-гигиенические функции почвы очень важны, поскольку она является хорошим антисептиком, уничтожая патогенные микроорганизмы и разлагая органические остатки и продукты обмена живых организмов.

В крупных городах - мегаполисах, особенно в крупных промышленных городах, происходит значительная деградация экологических функций городских почв. Особенно активная деградация или ослабление экологических функций происходит в городах с химической промышленностью.

В современных городах поверхностный (культурный) слой включает самые разнообразные объекты: битый кирпич, камень, строительный мусор, предметы домашнего обихода, заброшенные фундаменты зданий, погреба, колодцы, бревенчатые и дощатые настилы, булыжные и асфальтные покрытия. В зависимости от возраста города толщина и мощность культурного слоя различна и может колебаться от нескольких сантиметров до сотен метров. Для большинства городских почв характерно:

- отсутствие естественных почвенных горизонтов;

- в профиле почв сочетаются различные по окраске и мощности слои

искусственного происхождения, о чем свидетельствуют резкие переходы и ровные границы между ними;

- скелетный материал представлен в основном строительным и бытовым мусором (кирпичная крошка, куски асфальта, битое стекло, уголь и т. д.) в сочетании с промышленными отходами, торфокомпостной смесью или включениями фрагментов естественных почвенных горизонтов.

- иногда встречаются слои, полностью состоящие из отходов и мусора. Как правило, почвы города сильно переуплотнены с поверхности вследствие высокой рекреационной нагрузки и вытаптывания. Сильное уплотнение почвы ведет к созданию в корнеобитаемом слое условий, близких к анаэробным, особенно в период продолжительных дождей весной и осенью. В таких условиях сильно затрудняется рост мелких (активных) корней древесных и травянистых растений и нарушается процесс естественного возобновления растительности. В уплотненных почвах масса корней в 2,5-3 раза меньше, чем в неуплотненных. Корни не могут прорастать сквозь слои почвы, они зачастую вынуждены расти горизонтально вдоль них. Твердость почвы на уплотненных участках газона, где наблюдались изреживание и плохой рост трав, составляла 40-45 кг/см2, тогда как для нормального роста трав требуется, чтобы она была в два раза меньше.

В лесопарках, в садах и на бульварах, где почва почти не подвергается уплотнению, порозность колеблется от 45 до 75%. Уплотнение почвы снижает ее до 24-45%, что приводит к ухудшению водно-воздушного режима почвы. Для города характерно привнесение в почву песка и гравия, используемого в градостроительстве. Строительный материал, промышленные отходы, механические загрязнители и другие технологические субстраты имеют размеры гравия и камней. Их содержание в городских почвах постоянно увеличивается. Слоистость грунтов по гранулометрическому составу имеет важное почвенно-геохимическое значение, так как служит экранирующим и капиллярно-прерывающим барьером на пути миграции веществ, в том числе, загрязнителей. В слоях с обилием твердых обломков заостренной формы наблюдается слабое проникновение корней и редкая встречаемость дождевых червей [8, c.60].

В городских условиях в результате инженерно-строительной деятельности человека усиливается водная и ветровая эрозия. Водная эрозия особенно активно развивается вдоль дорог. При отсутствии хорошо организованного поверхностного и ливневого стока на незадернованных участках с углами наклона 1-1,5°, при утечках из водопроводных, канализационных и тепловых сетей происходит образование оврагов, смыв плодородных верхних горизонтов почв и сбор загрязнённых водных потоков в аккумулятивных понижениях ландшафтов, что приводит к нарушению водного режима и подтоплению подвалов. Ветровой эрозии могут быть подвержены, например, незадернованные пески. Развевание и переотложение песков имеет локальное распространение.

«Запечатывание» почвы изменяет ее водно-воздушный режим: препятствует проникновению в неё дождевых осадков, но без естественной аэрации способствует переувлажнению за счет почвенно-грунтовых вод. Интенсивное нагревание поверхностей асфальта и городских сооружений способствует перегреву почвы.

Захламление - поступление строительных и бытовых отходов на поверхность почвы. Эту часть почвы можно назвать балластной. Отходы могут, как создать механическое загрязнение, так и оказать химическое воздействие в результате разложения и выщелачивания токсичных веществ, что является серьёзным источником загрязнения атмосферы, грунтовых вод и почвы окружающих территории. Наличие на поверхности больших количеств щебенисто-каменистых материалов и бытовых отходов приводит к уменьшению полезной площади городских земель, уменьшает плодородие оставшейся незахламленной части поверхности. Захламлённая часть почвы практически не обладает плодородием и непродуктивна.

Городские почвы характеризуются высокой степенью запыленности. Экологически неорганизованные, не озелененные городские территории являются дополнительным источником твердого вещества, поступающего в атмосферу и усиляющего эффект запыленности воздуха токсичными веществами. В состав городской пыли входят непосредственно сами частицы почвы, грубодисперсные фракции выхлопных газов автотранспорта, выбросы химического производства и теплоэнергетических объектов. Загрязнители попадают на почву с атмосферными осадками, аэрозолями, путем непосредственного поглощения газообразных соединений почвой. Пыль способствует образованию сплошной корочки на поверхности почвы, поэтому снижается впитывание влаги дождей, водопроницаемость верхнего горизонта, что приводит к существенному ухудшению экологического состояния зеленых насаждений. Наблюдаются процессы угнетения аэрации почв, которые сказываются на жизнедеятельности почвенной биоты. Указанные процессы могут быть вызваны как количеством, так и составом пыли.

В крупных городах и промышленных центрах до 70-90% поверхности почвы запечатано асфальтобетоном или жилыми и промышленными постройками, вследствие чего большая доля загрязненных осадков минует почвенное тело и непосредственно уходит через канализацию в водоемы и речную сеть. Для запечатанных ландшафтов характерен максимальный уровень повышения и амплитуды колебаний температур. Асфальтобетонное покрытие защищает почву от основной массы загрязнителей и препятствует проникновению в почву дождевых осадков, изменяет водно-воздушный режим. В то же время жизнедеятельность микроорганизмов под дорожными покрытиями не прекращается, о чем свидетельствует газообмен почвы с атмосферой . Одним из негативных последствий, создающихся в результате запечатывания почвы, является парниковый эффект. Без естественной аэрации происходит переувлажнение почвы, что способствует процессам повышения влажности в подвалах и разрушению фундаментов. В результате страдает здоровье жителей нижних этажей: наблюдается повышенная влажность помещения, развитие патогенной и грибковой микрофлоры, борьба с которой практически невозможна. Излишнее покрытие асфальтом лесопарков, бульваров, скверов и прочих территорий также неблагоприятно: корни, распространяющиеся под асфальт, гибнут в анаэробных условиях, поэтому необходимо заменять непроницаемое покрытие экологически чистой брусчаткой или другими проницаемыми материалами. В городской почве, в отличие от природных почв, появляются новые компоненты, новые энергетические и вещественные связи, присущие урбанизированным экосистемам [10, c.20].

Между городской почвой и другими природными телами протекают следующие процессы обмена веществами и энергией:

-обмен газами в системе «Атмосфера (в т.ч. газовые выбросы промышленности) -- Почва -- Растение (корни) -- Грунт (в т.ч. протечки газовых коммуникаций)»;

-обмен жидкой и парообразной влаги в системе «Атмосфера (в т.ч. выбросы водяного пара вблизи ТЭЦ и заводов) -- Почва-- Растение-- Грунт (в т.ч. протечки водопроводной сети)»;

-обмен тепловой энергией в системе «Атмосфера (в т.ч. дома, ТЭЦ и пр.);

-обмен пылевыми частицами в системе «Атмосфера -- Почва -- Растение -- Грунт -- Строительно -бетонно -дорожные источники»;

-одностороннее отчуждения из почвы органического вещества, синтезированного высшими растениями (удаление лесной подстилки в парковых зонах, скашивание газонов) и биогенных элементов;

-синтез и разрушение органических соединений, в т. ч. гумификация.

Антропогенные нарушения почвенного покрова приводят к серьезным нарушениям и деградации всего природного комплекса, что в конечном итоге создает угрозу здоровью и жизни человека в городе.

1.2 Антропогенная трансформация почв промышленных зон

Специфика городских почв в наибольшей степени обусловлена двумя процессами:

1) механическая трансформация почвенного профиля, определяющая морфологию почв, основной особенностью которой является отсутствие генетических закономерностей его сложения, следствием чего становятся изменения воздушного, водного, теплового и других режимов;

2) за счет привноса чужеродного материала изменяются физико-химические и химические свойства почв, причем в данном случае наиболее актуально рассмотрение экотоксикологических аспектов данного процесса.

Во многих литературных источниках отмечается влияние городских агломераций на морфологические свойства почв. Современных исследователей особенно интересует изменение почвенного профиля городских почв. При изучении экологической обстановки в городах, нельзя не учитывать повсеместного распространения такого явления, как запечатывание дневной поверхности, в результате чего происходит уменьшение биологической продуктивности, погребение и деградация почв. Запечатанность территорий промышленных зон составляет примерно 80-90%, а современных жилых кварталов около 60% .

Поверхность может быть запечатана под зданиями, под плотными влагонепроницаемыми дорожными покрытиями (асфальтобетон, цементные плиты) и влагопроницаемыми покрытиями (булыжник, щебенка, деревянные мостовые). При строительстве почва разрушается, грунт под зданиями практически недоступен для исследования. Булыжник и щебенка частично изменяют режимы почвы, но площади проницаемых дорожных покрытий в городских условиях незначительны. Это явление приводит к ограничению участия почв как в малом биологическом, так и в большом геологическом круговоротах веществ и энергии, переводя их в биосферно неактивные.

Привнос веществ в почву после запечатывания практически отсутствует. Большая доля загрязненных осадков минует почвенное тело и непосредственно уходит через канализацию в водоемы и речную сеть. Под покрытием изменяются водный, тепловой, газовый режимы почвы, трансформируется микробиологическая активность. Таким образом, с одной стороны, асфальтобетонное покрытие защищает почву, но, с другой стороны, лишает экосистему универсального природного фильтра для загрязнителей, каким является почва. Асфальтобетонные покрытия изменяют характер теплообмена почвы с атмосферой, они, как часть городского ландшафта, способствуют изменению микроклимата и образованию «теплового острова» на территории города. Более плотные материалы, используемые в строительстве, способствуют сохранению тепла в системе и создают влагонепроницаемую поверхность. Происходит уменьшение затрат тепла на эвапотранспирацию.

В летний период, особенно в яркие солнечные дни, увеличение поглощенной радиации в сочетании с недостаточной аэрацией территории застройки может создавать предпосылки для формирования дискомфортных радиационно-температурных условий.

Уменьшению величины поглощенной солнечной радиации способствует увеличение разрывов между зданиями и замена асфальтовых покрытий газонами, которые обладают более высоким альбедо. Изменение альбедо крыш мало сказывается на общем значении альбедо городской застройки, альбедо стен - существенно. Основным фактором дискомфорта является температурный «скачок» между земной поверхностью и воздухом. Зависимость температурного «скачка» от площади зеленых насаждений особенно заметна при озелененности 20-50%. При озелененности 0-20% величина температурного скачка максимальна и почти не зависит от площади открытой поверхности. Оптимальные условия для проникновения чистого воздуха и благоприятный тепловой режим в условиях городской застройки отмечены, когда открытая озелененная поверхность составляет 50-60% от площади микрорайона. Это максимальная разумная величина открытой поверхности в условиях городской застройки .Высокий процент запечатанных площадей приводит к нарушению баланса осадков и испарения в результате сокращения площади испарения и изменения рельефа местности. По наблюдениям специалистов США, через 2-3 дня после запечатывания почвы асфальтовым покрытием, ее влажность уменьшается до влажности завядания растений. Асфальтирование поверхности может приводить как к понижению грунтовых вод, так и к подтоплению городских территорий. Покрытие асфальтом значительных территорий вблизи зданий существенно изменяет влажностный режим грунтов, оснований и фундаментов. Подвалы зданий служат фильтром, через который проходят грунтовые воды при испарении. Переувлажнение почв и грунтов под асфальтобетоном бывает настолько значительным, что создает условия для роста кустарника в трещинах между покрытием и зданием. С другой стороны, нередки случаи, когда при реконструкции после снятия покрытия, фундаменты архитектурных памятников разрушались из-за существенного увеличения глубины промерзания. В таком случае быстрая рекультивация почвы может способствовать уменьшению градиентов температур и влажности на только что вскрытой поверхности. Запечатанные почвы и грунты выполняют функцию сохранения информации о развитии природной среды и истории ее изменения человеком. Каждый, вновь насыпаемый слой городских отложений, испытывал на себе помимо влияния антропогенного фактора еще и влияние всех природных факторов. Так продолжалось во все времена существования городов и продолжается по сей день. Многие из этих слоев когда-либо (больший или меньший срок) выполняли функции почвы, приобретали черты ее морфологического строения и, по существу, представляют собой в настоящее время погребенные урбаноземы проживающих в промышленном регионе.

Значительные территории республики Казахстан подвержены техногенному нарушению. К ним следует отнести площади, отведенные под военные учебные полигоны. Развитие горнорудной, строительной промышленности, строительство транспортных дорог, линий электропередач, газонефтепроводов и расширение жилых массивов производится с нарушением почвенно-растительного покрова.

Источниками загрязнения почвы селитебных территорий являются твердые отходы, которые помимо биологических загрязнителей содержат ТМ:ванадий,хром,марганец,никель,медь,цинк,свинец,стронций,барий,титан,кобальт,нитриты и другие вещества. Тяжёлые металлы - это элементы периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с относительной молекулярной массой больше 40. Одним из сильнейших по действию и наиболее распространенным химическим загрязнением является загрязнение тяжелыми металлами .

К тяжелым металлам относятся более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 50 атомных единиц: : V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cd, Sn, Hg, Pb, Bi и др. При этом немаловажную роль в категорировании тяжелых металлов играют следующие условия: их высокая токсичность для живых организмов в относительно низких концентрациях, а также способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Практически все металлы, попадающие под это определение (за исключением свинца, ртути, кадмия и висмута, биологическая роль которых на настоящий момент не ясна), активно участвуют в биологических процессах, входят в состав многих ферментов. По классификации Н.Реймерса, тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см³. Таким образом, к тяжелым металлам относятся Pb, Cu, Zn, Ni, Cd, Co, Sb, Sn, Bi, Hg [12,c.23].