Просторово-часові особливості поведінки важких металів у ґрунтових покривах міських ландшафтів (на прикладі м. Харкова)

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ В.Н. КАРАЗІНА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

ПРОСТОРОВО-ЧАСОВІ ОСОБЛИВОСТІ ПОВЕДІНКИ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У ГРУНТОВИХ ПОКРИВАХ МІСЬКИХ ЛАНДШАФТІВ (НА ПРИКЛАДІ М. ХАРКОВА)

11.00.11. - конструктивна географія і раціональне використання природних ресурсів

РИЧАК НАТАЛІЯ ЛЬВІВНА

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі геоекології та конструктивної географії Харківського національного університету імені В.Н.Каразіна.

Науковий керівник: доктор географічних наук, професор Некос Володимир Юхимович, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, завідуючий кафедрою геоекології та конструктивної географії

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор Гуцуляк Василь Миколайович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, завідуючий кафедрою фізичної географії і раціонального природокористування

доктор географічних наук, професор Волошин Іван Миколайович, Львівський національний університет імені Івана Франка, професор кафедри раціонального використання природних ресурсів та охорони природи

Провідна установа: Одеський національний університет імені І. І. Мечникова, кафедра фізичної географії та природокористування, Міністерство освіти і науки України

Захист відбудеться “ 17 ” лютого 2006 р. о 14 ⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.04 у Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. II-49.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи,4, ЦНБ)

Автореферат розісланий “ 17 ” січня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат географічних наук, доцент Жемеров О.О.

АНОТАЦІЯ

Ричак Н.Л. Просторово-часові особливості поведінки важких металів у ґрунтових покривах міських ландшафтів (на прикладі м. Харкова) - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.11 - конструктивна географія і раціональне використання природних ресурсів. - Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, м. Харків, 2006.

У дисертації викладено результати дослідження просторово-часової поведінки вмісту валових форм важких металів (Pb, Zn, Cu, Co, Ni, Cr, Mn, V) у верхньому шарі ґрунтового покриву міських ландшафтів. Проведено дослідження стану похованого ґрунтового покриву, що зберігся під культурним шаром території м. Харкова. Розглянуто динаміку поведінки важких металів у ґрунтах міста.

Визначено залежність забруднення важкими металами від ландшафтно-геохімічних властивостей на території міста від антропогенного навантаження та власне від властивостей самих металів. Визначено чинники, що формують просторову й часову неоднорідність забруднення хімічними елементами міського ґрунтового покриву. Виконано кількісне картування забруднення ґрунтового покриву м. Харкова на трьох часових зрізах.

На основі встановленої поведінки важких металів з метою оптимізації управління екологічною якістю міських систем запропоновано застосовувати принцип особливості, що полягає у виборі правильних шляхів управління для окремого міського ландшафту з урахуванням особливостей поведінки важких металів, природної складової. Запропоновано експериментально визначений оптимальний вид фітомеліорації як найбезпечніший комплекс заходів для міських ландшафтів.

Ключові слова: міський ландшафт, антропогенне навантаження, сучасний ґрунтовий покрив, похований ґрунтовий покрив, просторово-часовий аналіз, важкі метали, фітомеліорація, управління якістю міських систем.

АННОТАЦИЯ

Рычак Н.Л. Пространственно-временные особенности поведения тяжелых металлов в почвенных покровах городских ландшафтов (на примере г. Харькова) - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.11 - конструктивная география и рациональное использование природных ресурсов.- Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, г. Харьков, 2006.

В диссертации изложены результаты исследования пространственно-временных особенностей поведения валовых форм тяжелых металлов (Pb, Zn, Cu, Co, Ni, Cr, Mn, V) в верхнем слое почвенного покрова городских ландшафтов. Проведено исследование состояния погребенного почвенного покрова, который сохранился под культурным слоем территории г. Харькова. Определена особенность содержания тяжелых металлов в погребенной почве, состоящая в невозможности самоочищения на протяжении двух столетий из-за ее консервации. Установлено, что для погребенных почв г. Харькова характерно техногенное накопление свинца, хрома, меди. Содержание других исследуемых тяжелых металлов (цинка, марганца, никеля) в погребенном почвенном покрове ниже уровня ПДК этих химических элементов для современных почв. Поэтому сегодня существует определенный уровень загрязнения погребенной почвы.

Изучена динамика поведения тяжелых металлов в современном почвенном покрове города. Установлена зависимость загрязнения тяжелыми металлами от ландшафтно-геохимических условий, сформировавшихся на территории города, от антропогенной нагрузки и собственно от свойств самих металлов. Определено, что медь, свинец, цинк, хром, кобальт могут накапливаться на местностях лессовых террас; никель, марганец накапливается в днищах балок, а ландшафтно-геохимические условия пойм способствуют накоплению свинца, цинка, хрома.

Установлено постоянное накопление марганца, ванадия, цинка (100 % достоверность) в почвенном покрове городских ландшафтов. Накопление происходит различными темпами. Расчет коэффициентов накопления показал, что для свинца этот показатель равен 1.3, цинка - 2.3, кобальта - 4, никеля - 1.4, меди - 2.4, хрома - 2.9, марганца - 6, ванадия - 2.8. Для разных местностей темпы накопления элементов разные, а для урочищ пойменной местности и витачивско-бугской террасы темпы накопления для меди и хрома не установлены. На основе количественных параметров осуществлено картирование загрязнения современного почвенного покрова города для трёх временных срезов.

Полученные результаты позволяют рекомендовать для оптимизации управления качеством городской среды внедрение дополнительного механизма. Механизм основан на особенности поведения тяжелых металлов в отдельных ландшафтно-геохимических условиях города. Механизмы управления предложены отдельно для каждого типа местности, где учтены морфология ландшафта, условия и особенности поведения в нем загрязнителей. Предложен экспериментально установленный вид фитомелиорации, основанный на оценке выполнения аккумулятивной функции приоритетных загрязнителей городских ландшафтов культурной травянистой растительностью. Определены перспективные фитомелиоративные мероприятия для оптимизации состояния городской среды (для накопления цинка, свинца, хрома, марганца использовать люцерну серповидную и эспарцет песчаный, для кобальта, ванадия ? овсяницу луговую).

Ключевые слова: городской ландшафт, антропогенная нагрузка, современный почвенный покров, погребенный почвенный покров, пространственно-временной анализ, тяжелые металлы, фитомелиорация, управление качеством городских систем.

SUMMARY

Rychak N.L. Spatial - temporal peculiarities of heavy metals behavior in soil covers of urban landscapes (on the example of Kharkov) - Manuscript.

The thesis for the degree of candidate of geographical sciences on speciality 11.00.11. - constructive geography and rational use of natural recourses. - Kharkiv National University named after V.N. Karazin, Kharkiv, 2006.

The results of research of the heavy metals (Pb, Zn, Cu, Co, Ni, Cr, Mn, and V) content gross forms spatial - temporal behaviour in the upper layer of the urban landscape soil cover were stated. The buried cover which remained under the cultural layer of Kharkiv territory was investigated. The dynamics of the heavy metals behaviour in urban soils was examined. The dependence of the heavy metals pollution from the urban landscape - geochemical peculiarities, from anthropogenic load and from metal properties themselves was determined. The factors which form spatial and temporal heterogeneity of urban soil cover pollution by chemical elements were determined.

The quantities mapping of Kharkiv soil cover pollution in three temporal cuts was effected. On the basis of the heavy metals determined behaviour for optimization of the urban systems ecological quality management it was proposed to apply the principle of peculiarity, which consists in choosing the right ways of management for separate urban landscape taking into account properties of heavy metals behaviour and natural component. Experimentally determined optimal type of phytomelioration as the safest complex of actions for urban landscapes was offered.

Key words: urban landscape, anthropogenic load, soil cover, buried soil cover, spatial - temporal analysis, heavy metals, phytomelioration, management of urban system quality.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Поєднання знань сучасного з минулим у дослідженні стану міських ландшафтів спирається на вивчення найбільш суттєвих ландшафтоутворювальних складових, котрими є літогенна основа і ґрунтові покриви. Згідно з існуючими поглядами геоекологічний стан цих компонентів поряд з іншими характеризується наявністю і кількісно-якісними особливостями вмісту й динаміки важких металів, що є індикаторами антропогенних впливів на міське середовище. Визначення особливостей просторово-часової поведінки та темпів накопичення важких металів у ґрунтових покривах міських ландшафтів в історичному минулому дає змогу спрямувати управління функціонуванням соціальною складовою так, щоб досягти оптимально можливого стану саме природної складової ландшафтів урбанізованих територій. Що ж до великих міст, антропогенне навантаження в межах яких є найбільшим і вкрай різноманітним, то історико-ландшафтознавчий аналіз набуває тут вирішального значення, бо дає змогу пізнавати сучасне й прогнозувати майбутнє на основі аналізу різночасових станів і впливів. Харків, з цього погляду, може вважатися за місто-еталон. Знаходячись в умовах різноманітної ландшафтної структури, зумовленої положенням міста на стику природних зон лісостепу й степу, його територія зазнала суттєвих різночасових антропогенних впливів, котрі можна ідентифікувати з огляду на історію його забудови й промислового розвитку. Усі обставини надали авторові змогу визначити концепцію роботи й знайти відповідний фактичний матеріал.

Наукові дослідження такого спрямування передбачені міжнародними, національними та місцевими програмами, зокрема: документом, ухваленим на зустрічі у березні 2005 р. представників міністерств охорони навколишнього середовища та освіти країн регіону ЄЕК ООН - „Вільнюські рамки здійснення Стратегії ЄЕК ООН з освіти в інтересах збалансованого сталого розвитку”; Постановою Верховної Ради України від 24.12.99 №1359-ХIV „Концепція сталого розвитку населених пунктів” та міською Комплексною програмою „Поліпшення санітарно-епідеміологічного стану м. Харкова до 2010 р.”, ухваленою рішенням 14 сесії 23 скликання Харківської міської ради від 23.03.2000 р. Всі ці програми й визначають актуальність дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в межах державної наукової тематики “Дослідження регіональних особливостей розповсюдження забруднювачів у компонентах і комплексах довкілля за допомогою дистанційних та контактних методів”, № Держреєстрації 0100U003265 та “Фундаментальні дослідження трансформації та акумуляції забруднювачів у різних природних сферах наземними та дистанційними методами”, № Держреєстрації 0103U004264.

Метою дисертаційної роботи є виявлення головних чинників формування особливостей просторової поведінки важких металів у ґрунтових покривах міських ландшафтів з урахуванням механізмів часової поведінки (більш ніж за 100 років) важких металів для обґрунтування шляхів управління станом міського середовища загалом і ґрунтового покриву зокрема як важливих середовищеформувальних чинників, що забезпечує екологічну безпеку великих міст.

До пріоритетних завдань, що вирішуються в роботі, віднесені: 1)визначення кількісного складу важких металів у сучасних та похованих ґрунтових покривах міських ландшафтів, зіставлення їх забруднення і виявлення відповідних особливостей і закономірностей їх поведінки; 2)встановлення специфічних особливостей часової поведінки важких металів у ґрунтових покривах міських ландшафтів; 3)визначення пріоритетних шляхів управління станом міського ґрунтового покриву як основи формування екологічного стану міського середовища.

На захист виносяться:

Методика дослідження просторово-часової поведінки забруднень на території великого

міста в умовах складного ландшафтного фону й різночасового надходження забруднень. Закономірності та особливості поведінки важких металів у різновікових ґрунтових

покривах міських ландшафтів різночасового формування.

Обґрунтування пріоритетних шляхів управління станом ґрунтового покриву міста Харкова для забезпечення екологічної безпеки міського середовища.

Об'єкт дослідження - ґрунтовий покрив міських ландшафтів з огляду на їхню просторово-часову неоднорідність. Предметом дослідження є особливості зв'язку між кількісно-якісним вмістом важких металів у ґрунтовому покриві міських ландшафтів минулих епох та його складом у сучасних умовах різноступеневого антропогенного навантаження.

Методи дослідження. Дослідження базується на історико-ландшафтознавчому принципі ландшафтного аналізу, що є складовою вчення про антропогенні ландшафти (Г.І. Денисик, 1998, П.Г. Шищенко, 1999). Основні методи дослідження: польові ландшафтно-геохімічний та ландшафтно-екологічний, камерально-аналітичні, історико-ландшафтознавчий, ретроспективний, діахронічний аналіз.

Для обробки та аналізу даних експериментальних досліджень як допоміжні застосовувалися лабораторні хіміко-аналітичні та методи математико-статистичної обробки результатів, комп`ютерного ландшафтно-екологічного картографування з використанням програм Surfer 6.0, Coral Drow 11.0 та ГІС технологій.

Вихідними матеріалами для проведення дослідження є власні багаторічні матеріали польових досліджень і результати хімічних аналізів відібраних зразків, проведених автором самостійно. Досліджено понад 200 зразків сучасного та похованого ґрунтових покривів. Використано фондові матеріали Харківської геологорозвідувальної експедиції та „УкрсхідНДІПД”, а також існуючі опубліковані матеріали за тематикою, що досліджується.

Наукова цінність і новизна одержаних результатів:

Запроваджено до наукового аналізу різночасові ґрунтові покриви великого міста

Проаналізовано поховані ґрунтові покриви як природний чинник формування сучасних міських ландшафтів і відповідно оцінено їх вплив на стан сучасного міського ландшафту.

Визначено особливості просторово-часової поведінки важких металів у зіставленні похованого та сучасного ґрунтових покривів міста на різних ландшафтно-геохімічних рівнях.

Вдосконалено методику аналізу природної складової міських ландшафтів шляхом розширення ретроспективного спрямування дослідження.

Запропоновано підходи до управління екологічною безпекою міста через вплив на якість і стан міського ґрунтового покриву для забезпечення екологічно оптимального стану міського середовища загалом.

Практична цінність роботи полягає у розробці та обґрунтуванні реально можливого шляху управління кількісно-якісним складом важких металів у ґрунтовому покриві міських ландшафтів через керування соціальною інфраструктурою міста; у подальшому удосконаленні методики індикації стану міських ландшафтів. Ландшафтно-геохімічні особливості території Харкова враховано Державним управлінням екології й міським відділом екології для удосконалення нормування техногенного впливу на територію міста з метою керованого перерозподілу навантаження на грунтово-рослинний покрив.

Виявлені просторово-часові особливості поведінки окремих хімічних елементів до певної міри є типовими і можуть бути використані для прогнозу розвитку інших міських ландшафтів. Визначені закономірності й здобуті практичні результати використовуються в навчальній та науковій студентській роботі з нормативного курсу “Урбоекологія”, з курсу “Методологія й методика і наукових досліджень”, а також під час проведення літніх польових практик.

Особистий внесок автора. Фактичні дані, які складають основу дисертаційної роботи, були отримані та впроваджені автором самостійно. Упродовж 1993-2005 років проведено польові дослідження стану сучасного ґрунтового покриву (добір і лабораторний аналіз ґрунтових та рослинних зразків) території міста Харкова, а також похованого ґрунтового покриву (закладання ґрунтових профілів та їх описи) на вміст важких металів; узагальнено інформацію щодо поведінки важких металів у ґрунтовому покриві міських ландшафтів; опрацьовано всю предметну наукову інформацію про формування міських ландшафтів та обґрунтовано здобуті результати. Внесок дисертанта полягає також в авторській розробці підходів до визначення шляхів управління екологічною безпекою ґрунтового покриву через керування соціальною складовою ландшафту, що дозволяє забезпечити екологічно оптимальний стан міських ландшафтів. Основні наукові положення та висновки, сформульовані у дисертації та одноосібних друкованих працях, належать виключно дисертантові.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались на: міжрегіональній науково-практичній конференції “Регіони в незалежній Україні: пошук стратегії оптимального розвитку” м. Харків (1994), міжнародній конференції “Стійкий розвиток: забруднення навколишнього середовища та екологічна безпека”, м. Дніпропетровськ (1995), науковій конференції до 90-річчя проф. П.К. Заморія “Сучасний стан та перспективи розвитку геоморфології, неотектоніки, геології та палеогеографії антропогену України” м. Київ, (1996), науково-практичній конференції “Екологічні проблеми регіону: суть і шляхи вирішення”, м. Полтава (1997), міжнародній науковій конференції „Ландшафтознавство: традиції та тенденції” м. Львів (2004), щорічних наукових семінарах кафедри геоекології і конструктивної географії ХНУ імені В.Н. Каразіна (1997-2005).

Публікації. Автором опубліковано 18 робіт. Основний зміст дисертаційної роботи висвітлено у 12 публікаціях, із них: 8 є статтями у фахових виданнях (в т.ч. 2 - у співавторстві), 4 - у матеріалах науково-практичних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатка. Робота викладена на 162 сторінках, містить 20 рисунків, серію карт (складає 24 рисунки), 12 таблиць. Список використаних джерел містить 215 найменувань (в тому числі 16 - зарубіжних авторів).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Стан вивчення поведінки важких металів у ґрунтовому покриві міських ландшафтів. Автором на прикладі території м. Харкова вивчено перетворення природного ландшафту на міський природно-антропогенний ландшафт та визначено його напрями. Встановлено, що особливу увагу слід приділяти дослідженню природної складової міського ландшафту. Використано наукові здобутки щодо дослідження змін головних природних чинників при формуванні складових міського ландшафту: літогенного (Г.Б. Островерх, 1996), повітряного

(Ю.Г. Тютюнник, 1987, Г.Е. Ландбсерг, 1983), водного - (Ю.Р. Гороховська, 2002). За темою дослідження, проаналізовано понятійно-термінологічний апарат, в тому числі “антропогенні ґрунти”, “міські ґрунти”, “викопні ґрунти”, “культурний шар”, та ін. Особливого значення надано аналізові ґрунтового чинника - (В.М. Гуцуляк, 1994, І.Г. Черваньов, 1994, І.М. Волошин, 1996, С.А.Балюк, 2004, М.М. Строганова, 1998, I. Thornton, 1991) та рослинності (T. Beatley, 2000,

В.П. Кучерявий, 2000) й тваринного світу (Б.Клаустнітцер, 1990, І.О. Кривицький, 1988 B. Pisarski, 1990). Результати проведеного аналізу визначили доцільність користування у наших дослідженнях терміном “ґрунтові покриви міста”, бо термін “міські ґрунти” не завжди відповідає визначенню ґрунту як природно-історичного тіла (Л.М. Бортник, В.В. Медвєдєв, 1999), а значний вплив антропогенного пресингу перетворив їх на природно - урбогенний субстрат. Ґрунтовий покрив міста ? це складна і неоднорідна природно-антропогенна біогеохімічна система (М.С. Касімов, 1995).

У працях дослідників-географів, присвячених дослідженню формування міських систем, чинне місце займає урболандшафтний підхід. Ландшафтно-екологічний напрям цього підходу розробляється М.Д. Гродзинським, 1993; праці еколого-географічного напряму належать Л.Г.Руденко та ін., 1995, А.В. Мельнику, 1999; геоекологічний напрям спостерігається у працях В.О. Бокова, О.В. Лущика, 1998; дослідження ландшафтно-архітектурних систем має місце у працях О.Ю. Дмитрука, 1998. Характерно, що окрім природної, дослідники вивчають техногенну підсистему міста. Дослідники урболандшафтів констатують, що функціонування міських ландшафтів зумовлює трансформацію природної складової ландшафту внаслідок значного антропогенного тиску. Ця особливість є найбільш характерною для великих міст з багатим історичним минулим.

Історико-ландшафтний аналіз показує, що поховані ґрунти є слідами минулих антропогенних впливів (П.Г. Шищенко, 1999). Ці ґрунтові покриви є найкращими показниками зміни природних та антропогенних умов. Кожен період природокористування за час існування міста залишає “пам'ять” у викопних ґрунтових покривах: початок його припадає на один тип природокористування, а в подальшому на стан ґрунтового покриву можуть впливати зовсім інші типи природокористування. Виявлено, що дослідження похованих ґрунтів дає змогу поглибити знання про походження фонової ландшафтно-геохімічної структури, визначити співвідношення антропогенного внеску і природної частки в сучасному вмісті хімічних елементів у ландшафті. Вивчення стану викопних антропогенних ґрунтових покривів уможливлює дослідження та оцінювання геоекологічних станів території, зокрема успадкованої ситуації (В.О. Боков та ін., 2000).

Геоекологічна ситуація щодо забруднення важкими металами, яка спостерігалася в минулому, ймовірно впливає на сучасний стан ґрунтового покриву та міський ландшафт загалом. Таким чином, постає проблема визначення такого впливу. Зазначимо, що встановлення успадкованої та сучасної геоекологічних ситуацій забруднення важкими металами ґрунтового покриву вкрай потрібне для розробки шляхів управління екологічною безпекою міських ландшафтів.

Автором на фактичному матеріалі м. Харкова підтверджено, що геоекологічний стан ґрунтового покриву міста залежить не тільки від антропогенного навантаження, а, значною мірою, від природозумовлених ландшафтно-геохімічних умов міських територій. Завдяки, дослідженням міграції важких металів у ґрунтовому покриві виявлено, що до основних елементів забруднювачів належать плюмбум, хром, купрум, цинк і нікол, у поверхневому шарі ґрунтового покриву відбувається депонування забруднень на геохімічному бар'єрі гумусового горизонту ґрунту, а також виділено типи просторового розподілу речовин-забруднювачів у міському середовищі. Встановлено, що в процесі попередніх досліджень випадала досить вагома ланка ? історико-ландшафтний аналіз. Отже, відсутність дослідження природних механізмів впливу похованого ґрунтового покриву на сучасний ґрунтовий покрив може призвести до недосконалого землекористування та недоцільного конструювання міських ландшафтів. У зв'язку з цим нами запропоновано таку послідовність дослідження: історико-ландшафтна реконструкція міських ландшафтів аналіз стану похованого ґрунтового покриву детальний аналіз стану сучасного ґрунтового покриву особливості просторово-часової поведінки важких металів у різночасових ґрунтах рекомендації щодо управління екологічною безпекою міського середовища.

Обєкти і методичні питання дослідження просторово-часової поведінки важких металів у ґрунтових покривах міста. Для дослідження просторово-часової поведінки важких металів (а саме, Pb, Zn, Cu, Co, Ni, Cr, Mn, V) у ґрунтовому покриві міських ландшафтів використано сукупність методів, що включають традиційні методики географічних досліджень та історико-ландшафтний принцип. Традиційні методики полягають у прискіпливому визначенні місць відбору проб ґрунтового покриву на основі попереднього ландшафтно-геохімічного картографування та лабораторному аналізі зразків. Історико-ландшафтний принцип виходить з того, що зміна ландшафту є послідовною низкою напрямлених змін його стану в межах інваріанту і проходить шляхом цілеспрямованих трансформацій структури і режиму використання у часі (О.Ю. Дмитрук, 2005). Одним із важливих методів в цьому дослідженні є діахронічний аналіз історико-ландшафтних зрізів, орієнтований на вивчення морфології історичних ландшафтів, їх розпізнання та картографування (В.С. Жекулін, 1982). Викопні ґрунти розглядаються в історичному зрізі як компонент, що постійно функціонував при історичному розвитку міста.

З метою дослідження поведінки важких металів за певний історичний період проведено реконструкцію ландшафтної ситуації. Відтворені корінні урочища на території дослідження. Діахронічний підхід дозволив вірогідно визначити походження міських ландшафтів, тенденції та етапи їх розвитку і зміни. Загалом, авторські дослідження ґрунтуються на гіпотезі, згідно з якою на основі властивостей відомих компонентів геосистем можна відновити невідомі (А.Г. Ісаченко, 1991). Вивчення процесів накопичення та виносу важких металів дозволили встановити грунтово-геоморфологічну та геохімічну зумовленості міграції важких металів у ґрунтовому покриві міських ландшафтів. Внаслідок аналізу антропогенного навантаження на міську територію за кожний окремий історичний проміжок часу було виявлено характер зміни природокористування та її наслідки. Така багатоаспектність та послідовність дозволила отримати цілісну картину поведінки важких металів у ґрунтових покривах міських ландшафтів.

Аналіз якості ґрунтового покриву проведено для трьох сучасних часових зрізів, що відповідають різноступеневому антропогенному навантаженню та для одного історично-ретроспективного часового зрізу (якісний аналіз похованого ґрунтового покриву), а саме:

I зріз - XVII - XIX ст. - початок промислового розвитку для м. Харкова, характеризує минулий екологічний стан;

II зріз - 80-ті роки ХХ ст. - інтенсивний промисловий розвиток м. Харкова;

III зріз - 1994 - 1995 рр. - спад промислового розвитку в умовах зміни парадигми соціально-економічного розвитку;

IV зріз - 2004-2005 рр. - умови різких коливань антропогенного навантаження на грунтовий покрив міста.

Аналіз вмісту елементів здійснювався на основі ландшафтно-геоморфологічного профілювання. Кожний експериментальний профіль на території міста сплановано таким чином, щоб він перетинав ділянки з різними природними (ландшафтними) й соціально-економічними умовами. Польові дослідження також проводилися з урахуванням вищевказаних умов. Для аналізу просторового забруднення сучасного ґрунтового покриву III і IV зрізів було відібрано по 95 зразків для кожного з них, а якість похованого ґрунтового покриву досліджувалась кожного разу за 10 відібраними зразками. Відбір зразків похованого грунтового покриву проводився на 10 експериментальних ділянках території дослідження. Кожний наступний відбір зразків для сучасних зрізів здійснювався на одних і тих самих ділянках. Це дало можливість дійти висновку про накопичення та збереження інформації щодо стану ґрунтових покривів з метою її подальшого використання для управління якістю ґрунтового покриву міста. Для кількісного визначення забруднення різночасових ґрунтових покривів важкими металами (як похованих, так і сучасних) використано метод рентгеноспектрального флуоресцентного аналізу.

Дослідження динаміки часової поведінки важких металів здійснювалося за допомогою методів статистичної обробки результатів, а саме шляхом побудови й аналізу рядів динаміки. Було розраховано темпи накопичення важких металів у ґрунтовому покриві міських ландшафтів. Конструктивно-географічний підхід, застосований при проведенні дослідження, полягає в обґрунтуванні пріоритетних шляхів управління якістю міських ландшафтів через вплив на стан ґрунтового покриву. Одним із власних результатів проведеного автором експерименту є фітомеліоративні рекомендації. Слід підкреслити, що запропоновані шляхи управління враховують особливості міських ландшафтів території м. Харкова, тому стосовно інших міст вимагають певної методичної корекції.

Наявність і якісний стан забруднення у похованому та сучасному ґрунтових покривах Харкова. Для виявлення ступеня антропогенного забруднення міських ґрунтових покривів важкими металами в історичному минулому проведено їх дослідження на різних ділянках м. Харкова, які на початку промислового розвитку міста зазнали досить вираженого й історично вірогідного антропогенного тиску. Забруднення ґрунтового покриву минулих історичних часів досить повно простежено завдяки його здатності акумулювати малорухомі хімічні елементи. На експериментальних ділянках, де виявлено горизонти похованого ґрунтового покриву, встановлено значний рівень забрудненості у порівнянні з валовим фоновим вмістом, характерним загалом для території Харкова. З'ясовано, що вміст важких металів у зразках наближається до значень сучасної ГДК, а на ділянках, відібраних в межах деяких урочищ заплави та однолесової тераси, навіть перевищує значення ГДК щодо плюмбуму (наприклад, урочище дофінівсько-причорноморської тераси під багатоповерховою забудовою та дворами; урочище прилуцько-удайської тераси під малоповерховою забудовою на сучасних територіях Новоселівки, Павлівки та в районі станції метро Площа Повстання відповідно). У центрі міста (урочище заплави, складеної супіщаними та легкосуглинистими відкладами з алювіальними малорозвинутими ґрунтами під складськими приміщеннями), на сучасному Московському проспекті зафіксовано перевищення вмісту хрому. Автор не відкидає можливості потрапляння і сучасного забруднення в шари похованих ґрунтів. Проте імовірність цього на ділянках дослідження досить низька. Шари, що досліджувалися, знаходяться під товщею глин від 50 до 90 см, що суттєво ускладнює потрапляння сюди важких металів.

Аналіз просторового забруднення важкими металами, стосовно ландшафтно-геохімічних умов території м. Харкова на історико-ретроспективному зрізі, виявив наступне:

центральна частина міста, що знаходиться у міжріччі Лопані і Харкова, безпосередньо на їх заплавах та на першій і другій лесових терасах, мала найбільшу кількість промислових обєктів, ремісничих майстерень, підприємств, що обслуговували важку і харчову промисловість на попередніх етапах розвитку міста. Це спричинило зростання вмісту в ґрунтовому покриві плюмбуму та хрому. Щодо інших важких металів у похованому ґрунтовому покриві, то показники їх вмісту значно нижчі від рівня нинішніх нормативів ГДК;

вирівняні лесові тераси (витачівсько-бузька, прилуцько-удайська, кайдацько-тясминська, завадівсько-дніпровська) з домінуванням одноповерхової міської забудови, з невеликими ділянками “зелених зон” та наявністю окремих значних на той час промислових підприємств відзначаються моноелементним забрудненням тогочасного довкілля. Найбільш значущим його „представником” є купрум, вміст якого у похованому ґрунтовому покриві на цих територіях складає від 31.20 до 52.20 мг/кг, тобто сягає значень сучасних ГДК валової форми хімічного елемента;

вирівняні лесові тераси (лубенсько-тилігульська, мартоносько-сульська та широкінсько-приазовська) були зайняті приватною одноповерховою забудовою, установами невиробничої сфери та “зеленими зонами” і не мали значних промислових обєктів. Це зумовило низький вміст хімічних елементів у похованому ґрунтовому покриві, який за окремими винятками не досягає рівня 0.5 ГДК.

Для врахування впливу ландшафтних особливостей на формування складу сучасного ґрунтового покриву міста за методиками В.М. Гуцуляка (1995) та Л.Л. Малишевої (1998) складено ландшафтну карту м. Харкова (рис. 1). Історико-ландшафтні реконструкції корінних урочищ території м. Харкова здійснено за О.Ю Дмитруком (2002). Створення та аналіз цих матеріалів дали змогу виявити особливості просторово-часової поведінки важких металів у ґрунтовому покриві міських ландшафтів різного часу формування.

Для виявлення просторової неоднорідності забруднення сучасного ґрунтового покриву міста важкими металами (другий часовий зріз) використано коефіцієнт нагромадження (К_Н), який розраховується як співвідношення концентрації металу в забрудненому ґрунтовому покриві з його фоновим вмістом.

Критерієм кількісної оцінки просторової неоднорідності слугували здобуті найнижчі значення вмісту елементів у ґрунтовому покриві. Поряд зі значеннями К_Н 1, що свідчать про відсутність забруднення ґрунтового покриву, досить часто трапляються коефіцієнти 1К_Н1,5 (слабке забруднення), 1,6К_Н2 (незначне), 2,1К_Н3 (помірне). Більша частина міста характеризується саме трьома останніми діапазонами. Крім цього, окремі території належать до категорії сильно забруднених, мають значення, що перевищує К_Н у багато разів. Фоновим для території м. Харкова є помірний ступінь забруднення ? це урочища борових терас (наприклад, урочища витачівсько-бузької тераси під промисловою забудовою, в основі якої лежать суглинки і піски з дерново-піщаними розвинутими ґрунтами під вторинними насадженнями сосни) і лесових терас (урочища лубенсько-тилігульської тераси під багатоповерховою забудовою, дворами, парками скверами складеної суглинками з прошарками пісків і з сильно перетвореними суглинистими і глинистими ґрунтами).

Максимальні значення концентрації забруднювачів характерні для місцевостей заплав, з урочищами дофінівсько-причорноморської тераси під багатоповерховою забудовою, дворами (центральна частина міста) з відповідною літологією та ґрунтами, а також для урочищ лесових терас р. Уди (лубенсько-тилігульської, широкинсько-приазовської, крижанівсько-іллічевської, березівсько-березанської, богданівсько-сіверської) під промисловою забудовою, складськими приміщеннями (уздовж Московського проспекту), розташованих на лесових суглинках на алювії з техногенно-перетвореними опідзоленими чорноземами.

Просторове забруднення ґрунтових покривів на III і IV часових зрізах відображає загалом процес послаблення антропогенного тиску (окрім впливу транспорту) на міські ландшафти, що є досить типовим для цих часових зрізів в умовах великих міст України. Результати просторового забруднення ґрунтового покриву важкими металами на трьох сучасних зрізах зображено на серії карт поелементного (Pb, Zn, Cu, Co, Ni, Cr, Mn, V) забруднення.

Зокрема, щодо плюмбуму та цинку, то у для деяких сучасних міських ландшафтах, де вміст цих металів підвищений, спостерігається збільшення забруднення, що не завжди корелюється зі збільшенням антропогенного навантаження на ці ділянки. До того ж, плюмбум дає збільшення забруднення на периферії території дослідження, що характерне для місцевостей пліоценових терас. Стосовно цинку, то його накопичення, навпаки, зумовлює збільшення забруднення в межах урочищ заплави безпосередньо у центрі міста та на окремих ділянках лесових терас, на яких розташовані найбільші сучасні промислові гіганти Слобожанщини (рис.2). Інший, більш мозаїчний характер має просторовий розподіл забруднення спричиненого такими елементами, як купрум, нікол, кобальт та хром. Характерною ознакою розподілу цих елементів є досить виразне їх зростання від урочищ заплав до урочищ пліоценових лесових терас, розташованих на периферії міста. Забруднення купрумом та ніколом характеризується збільшенням як вмісту хімічного елемента, так і кількістю забруднених локальних ділянок.

Визначено, що на II зрізі виявлена закономірність, характерна для місцевості заплав, а на III і IV - для місцевості лесових терас. Забруднення хромом та кобальтом характеризується збільшенням в межах заплавної місцевості. Значне збільшення забруднення в межах урочищ лесових терас спостерігається для IV часового зрізу. Чимале збільшення забруднення мангану спостерігається на трьох часових зрізах. Територіальне розповсюдження характерне для урочищ заплав та урочищ лесових терас р. Харків. Для забруднення ванадієм не характерне зниження його вмісту у напрямі від центру міста. Одним із результатів дослідження є створення картосхем сумарного показника забруднень (Zc) ґрунтових покривів, який розраховувався за методикою В.М. Гуцуляка (1995). Для 1989 р. Zc становить 693,4, для 1994-1995 р. р. ? 818, а для 2004-2005 р. р. значення показника Zc дорівнює 595. Результати дослідження показують, що зміни Zc залежать від способу міського природокористування та від ландшафтної структури, а високі рівні забруднення міських ґрунтових покривів ? від антропогенного навантаження та ландшафтно-геохімічного фону. Виявлена характерна закономірність: низький рівень забруднення.

притаманний селітебним районам в урочищах високих пліоценових терас та в місцях знаходження рекреаційних об'єктів. Відзначено формування техногенних ореолів забруднення та їх просторова локалізація - розташування в межах потужних промислових підприємств та головних транспортних перехресть міста. Методом парних порівнянь за допомогою критерію Стьюдента виявлено, що для ванадію, цинку та мангану у 15-річний термін відбулося статистично вірогідне (вірогідність складає 100%) збільшення забруднення важкими металами у верхньому шарі міського ґрунтового покриву. Менша вірогідність характерна для інших металів. Перевірка здобутих результатів показала, що вони є значущими майже для всіх місцевостей території дослідження щодо цинку та плюмбуму, та частково значущими (лише для місцевостей лесових терас) ? щодо ніколу.

Закономірності просторового розподілу елементів визначаються, передусім, ландшафтно-геохімічними умовами. Встановлено, що особливості просторового розподілу плюмбуму пояснюються його здатністю до накопичення в нейтральних ґрунтах центра міста та його рухомістю в кислих ґрунтах транселювіальних геохімічних ландшафтів першої надзаплавної тераси. Особливість просторового розповсюдження цинку пояснюється високою міграційною здатністю в умовах території дослідження, яка забезпечується найбільшою часткою його водорозчинних форм в атмосферних опадах та високим, у порівнянні з валовим, вмістом рухомих форм у ґрунтових покривах. Просторово-часове розповсюдження купруму полягає у зосередженні максимального забруднення в антропогенно-перетворених ґрунтах місцевостей заплав, на яких розташована центральна частина міста з найтривалішим антропогенним тиском, і зменшенні забруднення на місцевостях лесових пліоценових терас у напрямі до околиць міста.

Закономірності просторово-часового розповсюдження ніколу і купруму не співпадають, хоча їхня поведінка в таких геохімічних умовах має бути схожою. Зафіксовано суттєве збільшення кількості ніколу з часом. Визначені особливості для купруму та ніколу можна пояснити тим, що на території дослідження для цих елементів характерна уповільнена фізико-хімічна міграція і тому наявна здатність до накопичення цих забруднювачів у верхньому шарі ґрунтового покриву. Відмінності ж можуть пояснюватися різними джерелами забруднення.

Аналіз просторового забруднення хромом дозволив дійти висновку, що плями існуючих забруднень є наслідком не тільки промислового навантаження, а й буферністю, різним гранулометричним складом ґрунтових покривів, вмістом гумусу та ін.

Для просторового забруднення ґрунтового покриву міських ландшафтів манганом та ванадієм на трьох часових зрізах характерне збільшення їх вмісту від периферії до центру міста. Значне забруднення ванадієм виявлено в урочищах низьких заплав території, особливо в період сталого антропогенного навантаження. Значний вміст мангану на IV зрізі можна пояснити тим, що у верхньому ґрунтовому шарі даний елемент накопичується завдяки слабкій промивній здатності перетворених та ущільнених ґрунтів з низьким вмістом гумусу та техногенними спорудами, які утворюють штучні бар'єри.

Таким чином, просторове забруднення утворює складну мозаїку забруднених ділянок території міста. Важливим є те, що виявлена строкатість не пов'язана зі стаціонарними промисловими об'єктами. Просторове забруднення на сучасному етапі функціонування міських ландшафтів характеризується розширенням ареалів збільшеного вмісту плюмбуму, цинку, ніколу, кобальту, хрому, мангану. До того ж кількісне зростання рівня забруднення локально фіксується на заплавній та лесово-терасових місцевостях. Щодо купруму й ванадію, то їх просторове забруднення характеризується яскраво вираженим хвилеподібним характером, що ускладнює виявлення особливостей їх поведінки. Зіставлення забруднення похованого та сучасного ґрунтових покривів свідчить про спадковість у характері просторового накопичення для місцевостей заплав, особливо якщо йдеться про забруднення хромом та плюмбумом.

Часова поведінка важких металів у ґрунтовому покриві міських ландшафтів. Для дослідження часової поведінки важких металів аналізувалась динаміка їх вмісту у верхньому шарі міського ґрунтового покриву за 110 років (1895-2005 р. р.). Розраховано аналітичні показники динаміки: середній рівень ряду динаміки за певний проміжок часу, темпи накопичення (інтенсивність процесу накопичення) вмісту важких металів у міських ґрунтових покривах, що характеризують відносну швидкість зміни рівня забруднення ґрунтового покриву. Темп накопичення розраховувався як відношення рівня забруднення кожного хімічного елементу на II, III, IV зрізах до його рівня забруднення на історико - ретроспективному зрізі, і наведено у вигляді коефіцієнтів накопичення (рис.3). Ці коефіцієнти визначають інтенсивність накопичення елементів, виявляють динаміку кожного з них, а також загалом рівень забруднення в ґрунтовому покриві міських ландшафтів.

Порівняння здобутих результатів для плюмбуму виявило, що його стійке накопичення відбувається з кожним зрізом, але з дедалі нижчими показниками. Встановлено незначний темп накопичення цинку. Його середньорічний коефіцієнт вищий у порівнянні з середньорічним коефіцієнтом плюмбуму і складає 2.3. Імовірно, максимальне накопичення цинку відбулося в період спаду виробництва з одночасним ростом автотранспортного навантаження. Середньорічний коефіцієнт накопичення ніколу також досить низький. Щодо купруму, то для цього елемента не виявлені особливості накопичення. Характер коефіцієнта накопичення хрому досить складний. Так, на двох ділянках, розташованих у межах місцевості лесових терас, він є досить високим і складає 4. Тим часом, в урочищах заплави та борової тераси на сучасному зрізі накопичення хрому взагалі не зафіксовано, але значний його вміст спостерігається на історико-ретроспективному зрізі. На інших ділянках розрахований коефіцієнт складає 1. Загалом, аналіз темпів накопичення хрому свідчить про певну тенденцію збільшення його вмісту за історичні періоди.

ґрунтовий ландшафтний важкий метал

Рис. 3. Середньорічний коефіцієнт темпу накопичення важких металів

Для кобальту, темп його накопичення стабільний і коефіцієнт близький до 6. Середньорічний коефіцієнт накопичення ванадію від початку антропогенного навантаження на міські ландшафти до сучасного зрізу складає 2.8. Характерно, що темп його накопичення зростає, а загальний вміст валової форми елемента не перевищує значень ГДК. Отже, чинник часу не є головним у формуванні темпів накопичення. Найвиразніше це демонструє розрахований коефіцієнт накопичення для плюмбуму, мангану, хрому. Різні за тривалістю періоди характеризуються майже однаковою величиною коефіцієнта, тобто роль часу радше другорядна. Значення ступеня антропогенного навантаження, без сумніву, вагоме, але результати дослідження свідчать, наприклад, що для мангану й кобальту зафіксовано збільшення показника коефіцієнта накопичення саме в період спаду, а не відновлення виробництва. Здобуті результати ще раз підкреслюють вагомість природної складової міського ландшафту у формуванні якості міського ґрунтового покриву та якості міського ландшафту загалом за тривалий період урбанізаційних процесів. Такий висновок підтверджується також проведеним кластер-аналізом з отриманням відповідних груп залежності вмісту від ландшафтно-морфологічних умов.

Шляхи управління екологічною якістю міського середовища. Суть оптимізації відбиває необхідність постійного управління моделлю балансу потрапляння забруднювачів у міське середовище для досягнення мінімальних розбіжностей між оптимальним і фактичним станом території дослідження. Тому на основі теорії м'якого управління, запропоновано шляхи досягнення екологічно безпечного стану міського ґрунтового покриву та міських ландшафтів загалом. Означена система управління ґрунтується на принципі врахування особливостей кожного окремо взятого типу міського ландшафту. У зв'язку з цим розроблено й обґрунтовано шляхи управління для різних типів міських ландшафтів з урахуванням їх природної складової та особливостей її функціонування. Алгоритм управління узагальнено і детально опрацьовано. Для кожної місцевості в узагальненому вигляді визначено особливості поведінки важких металів та запропоновано широке коло різноманітних дій, які необхідно здійснити у кожному узагальненому випадку. В результаті дослідження виявлено пріоритетні шляхи поліпшення стану міського середовища. Для усіх місцевостей з підвищеним вмістом важких металів у верхньому шарі ґрунтового покриву серед інших заходів рекомендується, насамперед, проводити фітомеліорацію за допомогою експериментально визначених видів рослин, що є найкращими фітомеліорантами в даних природних умовах. Автором експериментально встановлено: найкращими накопичувачами цинку є бобові (а саме люцерна серповидна) та злакові (серед яких виділяється грястиця збірна); найкращими накопичувачами хрому й купруму є бобові, а саме люцерна серповидна та еспарцет піщаний; кобальт накопичує костриця лучна; трав'яна суміш (костриця лучна та люцерна серповидна) накопичує всі важкі метали. Для лесових місцевостей, що займають 75% території м. Харкова, рекомендується проводити роботи, спрямовані на зміну хімізмів ґрунтових покривів та створення штучних ландшафтно-геохімічних бар'єрів, а також впроваджувати заходи хімічної інактивації забруднень. Для місцевостей заплав та борових терас рекомендується не допускати забудову за рахунок знищення ґрунтових покривів та проводити роботи, пов'язані з поновленням біогеоценотичних, біохімічних та особливо фізико-хімічних властивостей ґрунтового покриву. Для яружно-балочної місцевості рекомендується створити зелені смуги та екрани з метою закріплення ґрунтового покриву та окультурення пустирищ, для місцевостей міжріччя ? проводити природоохоронні заходи, орієнтовані на збереження природних систем шляхом створення заказників місцевого значення

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі виконано теоретичне узагальнення та нове розв'язання проблеми впливу природних і антропогенних чинників на формування просторово-часової поведінки важких металів як пріоритетних забруднювачів ґрунтових покривів міських ландшафтів та запропоновано новий підхід в аргументації шляхів управління якістю міського середовища.

Основні висновки наступні.

1. На значному фактичному матеріалі та за допомогою сучасних методів досліджень доведено, що вивчення стану похованого ґрунтового покриву уможливлює повніше дослідження геоекологічної ситуації території, виявлення ступеня успадкованості ситуації і, що надзвичайно важливо, впливу геоекологічної ситуації ґрунтових покривів минулих сторіч на їх сьогоднішній стан.

2. Запропоновано таку послідовність дослідження: історико-ландшафтна реконструкція міських ландшафтів аналіз стану викопних ґрунтових покривів детальний аналіз стану сучасних ґрунтових покривів особливості часово-просторової поведінки важких металів рекомендації до управління якістю міського середовища.

Зразки похованих ґрунтових покривів, відібраних у межах Харкова, свідчать, що забруднення ґрунтових покривів мало місце в історичному минулому, де вміст важких металів уже на той час перевищував валовий фоновий вміст. Це свідчить про те, що ґрунтовий покрив упродовж двох століть історії не зазнав самоочищення через його консервацію, і на сьогодні існує певний рівень його забруднення.

Для похованих грунтів м. Харкова з їх геохімічною специфікою характерне техногеннне накопичення плюмбуму, хрому, купруму. Вміст інших важких металів, що досліджувалися (цинк, манган, нікол) у похованому грунтовому покриві, не корелює із їх вмістом у сучасному грунтовому покриві.

Міське середовище, залишаючись активною субстанцією, досить суттєво трансформує забруднення сучасного ґрунтового покриву. В умовах Харкова простежені шляхи міграції, осередки та умови депонування й перетворення важких металів.

Аналіз просторово-часової поведінки важких металів за останні 110 років показує, що для мангану, ванадію, цинку з вірогідністю 100 %, характерним є постійне накопичення у ґрунтовому покриві існуючих міських ландшафтів. Накопичення відбувається різними темпами ? як правило, воно залежить від ландшафтно-геохімічних умов та величини антропогенного тиску. Для купруму виявлена здатність сталого накопичення, що, можливо, пов'язано з суб'єктивними причинами, наприклад, з різними проміжками усереднення, або із специфікою антропогенного забруднення. Накопичення плюмбуму, ніколу, хрому, кобальту мають дещо менше значення вірогідності. Встановлено, що на всіх ландшафтно-геохімічних профілях, що досліджувались, значущі результати є характерними для плюмбуму, а для чотирьох профілів значущі результати характерні лише для ніколу й хрому.

Для кожного з типів ландшафту визначено особливості поведінки важких металів. Встановлено, що купрум, плюмбум, цинк, хром, кобальт здатні накопичуватись у місцевостях лесових терас; ніколь, манган накопичуються у днищах балок; ландшафтно-геохімічні умови заплав сприяють накопиченню плюмбуму, цинку, хрому.