ПРОСТОРОВО-ЧАСОВІ ОСОБЛИВОСТІ ПОВЕДІНКИ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У ГРУНТОВИХ ПОКРИВАХ МІСЬКИХ ЛАНДШАФТІВ (на прикладі м. Харкова) : Пространственно-временные ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В почвенный покров городских ландшафтов (на примере г.. Харькова)

Краткое содержание

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. Tho ton, 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 Þ аналіз стану похованого ґрунтового покриву Þ детальний аналіз стану сучасного ґрунтового покриву Þ особливості просторово-часової поведінки важких металів у різночасових ґрунтах Þ рекомендації щодо управління екологічною безпекою міського середовища.

Об¢єкти 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 об¢єктів, 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 об¢єктів. 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 1<К_Н<1,5 (слабке забруднення), 1,6<К_Н<2 (незначне), 2,1<К_Н<3 (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.