Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ECOLOGO-BIOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF SOIL COVER OF AN INDUSTRIAL CITY IN EASTERN SIBERIA

Naprasnikova E.V. 1 Sorokovoy A.A. 1 Emelyanova N.V. 1
1 V.B. Sochava Institute of Geography SB RAS
The processes of urbanization and technogenesis involves transformations of the existing soil cover. They manifest themselves in the form of a shift of acid-alkaline properties and of the degree of transformation of organic compounds, and changes in evolutionarily established interdependent relationships. In this paper, using the industrial city of Shelekhov, these statements were studied experimentally for the first time, presented cartographically, substantiated and demonstrated statistically. It is shown that the soil acid-alkaline properties are transformed from weakly acidic to neutral and weakly alkaline pH values. They are of widespread occurrence across the urban territory. In these settings, the level of biochemical activity of soils (BAS) was identified, which is associated with the cycle of an important biogenic element, nitrogen, as the informative criterion for their functional status. On the other hand, it is the indicator of self-purification capacity of the urban soil. This experimental part of work was carried out using the rapid analysis method according to T.V. Aristovskaya and M.V. Chugunova. It is shown that the degree of soil activity varies from medium-active to strongly active. Their relative content makes up 89.1 % of the total urban area. Soils with very high activity are 1.9 %. No soils with weak activity were detected within the city limits. According to experimental data for the BAS – pH system in real time, an appreciable correlation was revealed. The dispersion coefficient on a scale of Chedoke significant and amounted to 0,52. Assessing the biochemical state of the studied soils, it can be said that the reaction of the soils keeps their activity at a relatively high level. At the same time, we note that high rates of biological activity of urban soils can not be a positive fact. It is not inconceivable that the metabolic process can lead the soil system to an ecological regress, implying the removal of biogenic nitrogen stock. Cartographic display of the results revealed the most problematic areas of the city, what gives the practical focus of this work.
the City of Shelekhov
soils
biochemical activity
acid-alkaline conditions
mapping
1. Naprasnikova E.V., Istomina E.A. Soil cover on the territory of the city of Angarsk: The ecologo-biochemical and cartographic aspects // Geography and Natural Resources. 2012. V. 33. № 4. P. 289–292. DOI: 10.1134/S1875372812040051.
2. Naprasnikova E.V., Istomina E.A. Investigation and mapping of the ecological-biochemical state of soils in the city of Bratsk // Geodesy and Cartography. 2018. № 5. P. 20–26 (in Russian).
3. Ippolitova N.A., Kovalenko S.N., Orel G.F., Rogovskaya N.V., Tyumentseva I.A., Tyun’kova I.A. Geography of the Irkutsk oblast. Irkutsk: Izd. Instituta geografii im. V.B. Sochavy SO RAN. 2013. 233 p. (in Russian).
4. Belozerceva I.A. Impact of aluminum production emissions on the suburban environment // Trends of landscape-geochemical processes in the geosystems of southern Siberia: a collective monograph. Chapter 7.1. Novosibirsk: Nauka, 2004. P. 138–144 (in Russian).
5. Merkulova M.Y., Tihomirova E.I., Abrosimova O.V. Comprehensive monitoring of the ecological status of urbanozems by biological indicators (on the example of the city of Saratov) // Theoretical and Applied Ecology. 2015. № 4. P. 25–29 (in Russian).
6. Aristovskaya T.V., Chugunova M.V. Express method for determining the biological activity of soil // Pochvovedenie. 1989. № 11. P. 142–147 (in Russian).
7. Fokov R.I. Ecological reconstruction and improvement of the urbanized environment. M.: Izd. Associacii stroitel’nyh vuzov, 2012. 304 p. (in Russian).

Одна из актуальных проблем современности – это проблема загрязнения окружающей среды. Исходя из известного положения, что почва – незаменимый и неотъемлемый компонент биосферы, ученые видят экологическую значимость изучения её трансформации.

Выполненные исследования являются продолжением цикла работ по экологическому состоянию почв индустриальных городов и их картографированию [1, 2]. Природа Сибири считается ранимой. В этой связи актуальность и своевременность проблемы данной работы усиливается.

Основная цель исследования – оценка интегрального эколого-биохимического потенциала почв под воздействием техногенеза и урбанизации г. Шелехова. Ключевые задачи сводились к следующему: отбор почвенных образцов в функциональных зонах города, определение щелочно-кислотных условий и биохимического статуса почв, нахождение корреляционной связи данных показателей и их картографическое отображение. Представленные исследования в данной работе по Шелехову выполнены впервые.

Материалы и методы исследования

Город Шелехов находится на юге Иркутско-Черемховской равнины и расположен между реками Иркутом и Олхой, в 18 км к юго-западу от областного центра – г. Иркутска. Город образован в 1993 г. и относится к самым молодым в области. Он входит в состав Иркутской агломерации и Большого Иркутска и является одним из ведущих промышленных центров Иркутской области.

Иркутский алюминиевый завод (ИркАЗ)
считается самым главным источником загрязнения окружающей среды в Шелехове. Данный город являются крупнейшим производителем алюминия и входит в список городов с очень высоким уровнем загрязнения окружающей среды. Кроме ИркАЗа в городе и на сопредельных территориях расположены заводы: железобетонных конструкций, по производству сверхчистого кремния, металлообрабатывающий, деревообрабатывающий, по производству тротуарной плитки, мебели, домостроительный комбинат. Обширно развиты сети электро- и теплоснабжения.

Климат Иркутской области резко континентальный. Для него характерна холодная продолжительная зима и относительно теплое лето. Значительные коррективы в температурный режим вносят местные физико-географические условия: рельеф, расчлененность, экспозиция склонов, наличие водоемов, растительность. Количество осадков на данной территории около 450 мм/год [3].

Детальные исследования были проведены на почвах и почвенном покрове г. Шелехова, и сопредельных территориях, которые описаны И.А. Белозерцевой [4]. Установлено, что в Шелеховском районе и в зоне влияния ИркАЗа преобладают антропогенно-изменённые дерновые лесные почвы с маломощным гумусовым горизонтом. Показано, что наибольшее содержание водорастворимой формы фтора (приоритетного загрязнителя) в верхнем слое почвы (0–10 см). Даная форма достигает наивысшего содержания (20 ПДК) на расстоянии 0,5 км от завода. Основной перечень атмосферных загрязнителей над ИркАЗом следующий: фтористый водород, твёрдые фториды, бенз(а)пирен, хлорметан, формальдегид, диоксид азота, окислы кремния.

Нашим методическим выбором явились информативные критерии современного состояния городских почв – степень биохимической активности почв (БАП) и щелочно-кислотная обстановка (рН). Эти биоиндикационные методы относятся к оперативным и остаются актуальными в изучении экологически неблагополучных территорий [1, 2, 5]. Для проведения массовых лабораторных анализов БАП, характеризующую большую территорию, явился экспресс-метод Т.В. Аристовской, М.В. Чугуновой [6]. Методика предполагает учет скорости (в часах) разложения модельного азотсодержащего органического соединения (карбамида). Принято считать, что чем меньше скорость разложения карбамида, тем выше уровень активности испытуемого субстрата.

Почвенные образцы отбирались с учетом различных функциональных зон города в вегетационный период по общепринятым методикам. Смешанный образец готовился из 10–15 отдельных проб. Щелочно-кислотные условия определялись потенциометрическим методом на приборе (иономер И-160МИ). Изолинейные карты построены c использованием метода пространственной интерполяции «Естественная окрестность (Natural Neighbor)».

Результаты исследования
и их обсуждение

Хорошо известно, что показатель щелочно-кислотных условий почв (величина рН, ед.) рассматривается в качестве одной из важнейших интегральных почвенных характеристик. В условиях урбанизации и техногенеза данный показатель претерпевает существенную трансформацию. На изучаемой территории «кислотные дожди» не наблюдаются и, как правило, рН почв смещается в щелочную сторону. Величина рН почвенного покрова г. Шелехова варьирует от 6,3 до 7,8 ед., т.е. от слабощелочной до слабокислой. Из этого следует, что сильнокислых и сильнощелочных показателей на изучаемой территории не наблюдается. Результаты экспериментальных исследований представлены на изолинейной карте (рис. 1).

В рамках города наблюдаются два локальных ареала с минимальными рН. Один из них расположен вблизи влияния ИркАза и представляет собой «ядро», окруженное нейтральной и слабощелочной средой. Небольшие массивы со слабокислыми значениями рН приурочены к городским окраинам, за исключением его северной и западной части, и занимают 60,7 га. Их относительное содержание всего лишь 1,9 %. Почвенный покров с нейтральными значениями рН занимает 72,2 %, от общей площади, что составляет 2318,7 га. На карте отчетливо выражены территории со слабощелочными значениями рН (от 7,5 до 7,8 ед.). Они сформировали четыре ареала, которые приурочены к селитебным зонам города с густонаселенными кварталами. Их суммарная площадь составляет 831 га, что в процентном отношении равно 25,9 %. Переход значений рН почв от одной градации к другой на всей территории города плавный.

Результаты определения уровня БАП представлены на карте (рис. 2). Они позволили выделить три основные группы почв: первая – с очень высокой активностью (от 2,1 до 5,1 ч.); вторая – с высокой (от 5,1 до 7,1ч) и третья группа (от 7,1 до 8,6 ч.) со средней активностью.

napras1.tif

Рис. 1. Распределение значений рН почв г. Шелехова

napras2.tif

Рис. 2. Распределение значений уровня биохимической активности почв г. Шелехова

Приведём анализ состояния биологической активности почв в городской среде. Первая группа от общей территории города занимает 38,3 %, что составляет 1232,5 га и может считаться сравнительно активной.. Вторая – получила наибольшее распространение – 1629,2 га, что соответствует 50,8 %. Третья группа почв сравнительно небольшая и занимает 348,7 га, что составляет 10,9 %. На карте хорошо видно, что почвы, обладающие очень высокой и высокой активностью, занимают большой массив северо-западной части города, где расположена селитебная (густонаселенная) зона. Небольшой ареал таких почв локально присутствует в центральной части, а также на восточной границе города. Следует отметить, что характер распределения биохимически активных почвенных субстратов совпадает с щелочно-кислотными условиями, значения которых нейтральные или слабощелочные. Данный факт нельзя считать позитивным, поскольку увеличение значений рН может повлечь нарушение механизмов регуляции, связанных с органическим азотом и, как следствие, его потерю. Группа почв с более низкими показателями БАП выделяется вблизи ИркАза и совпадает с ареалом низких значений рН. Эта же группа тяготеет к периферийным частям города и близка к природным рубежам. Полученные результаты не противоречат экологической сущности исследуемого показателя, связанного с трансформацией азотсодержащих органических соединений. Переход значений БАП от одной градации к другой на всей территории города плавный.

В работе выполнен корреляционный анализ определяемых показателей. Он отразил на графике тесную взаимосвязь биологической активности изучаемых почв и их рН (рис. 3). Коэффициент дисперсии (R2 = 0,52) можно считать сравнительно высоким. Теснота связи данного показателя, согласно шкале Чеддока, характеризуется как заметная, т.е. статистически существенная. Следует отметить, что основная масса точек значений БАП на графике расположена в интервале рН от 7 до 7,8 ед.

Выявленная зависимость БАП и рН подтверждает влияние особенностей городской среды на направленность биохимических процессов. Таким образом, проведенные исследования дополняют наши знания о состоянии почвенного покрова индустриального города. При этом следует подчеркнуть, что выполненная экспериментальная работа четко согласуется с новой современной концепцией экологической реконструкции и оздоровления урбанизированной среды [7].

Заключение

Экспериментальные исследования обеспечили базу данных для выполнения картографического отображения эколого-биохимического потенциала и щелочно-кислотных условий почвенного покрова индустриального города Шелехова. В результате выполненных исследований получены новые знания. Избранные показатели являются экспериментальным критерием функциональных особенностей распространенных дерновых лесных почв. Это позволило дать оценку их состоянию в реальном времени как сохранных. В итоге по данной территории впервые выполнены изолинейные карты. Показано, что преобладают массивы с очень высоким и высоким уровнем активности почв. Их можно считать проблемными территориями, в силу того, что повышение степени биологической активности почвенного покрова может сказаться на особенностях механизмов регуляции метаболических функций азотсодержащих органических веществ. Иными словами процессы, связанные с круговоротом биогенного азота, могут привести к потерям его запасов. Таким образом, проблемные территории г. Шелехова определяются экологически напряженными почвами. С наименьшим уровнем активности зарегистрирована всего лишь десятая часть от общей площади города. Почвы со слабой активностью на настоящий момент не обнаружены. Характер биохимической активности городских почв проявляется на фоне трансформированных щелочно-кислотных условий, отличающихся от контрольных, где рН регистрируется преимущественно слабокислая. Исследования позволили выявить характер связей между интегральными показателями. Статистическая обработка результатов определения БАП и рН подтвердила это значимым коэффициентом дисперсии по шкале Чеддока (0,52). Полученные данные можно считать не только информативными, но и прогностическими. Установлены тенденции почвенно-биохимических процессов под воздействием мощных факторов: урбанизации и техногенеза. Есть основания полагать, что в ближайшее время степень влияния этих факторов не изменится.

napras3.tif

Рис. 3. Зависимость биохимической активности почвы от щелочно-кислотных условий

Картографическая обеспеченность усилила информативность работы и более четко выявила характер функциональных связей показателей. Кроме научной новизны работа имеет практическую направленность, которая будет полезна при дальнейшем обустройстве города, в целях улучшения общей экологической обстановки для жизне-
обеспечения населения.