ЕКОГЕОХІМІЯ ЛАНДШАФТІВ У ЗОНАХ ТЕХНОГЕНЕЗУ

Короткий зміст

Проблеми екогеохімічних досліджень ландшафтів у зонах техногенезу

Ландшафтно-геохімічні проблеми, що досліджуються в дисертації, умовно можна поділити на дві групи: а) просторова геохімічна  диференціація ландшафтів у зонах техногенезу та б) взаємозалежності хімічного складу між різними ландшафтними компонентами.

В класичній геохімії ландшафтів в основу дослідження міграційної структури геосистем покладено обгрунтований ще Б.Б.Полиновим принцип катенарної диференціації, згідно якому провідним чинником перерозподілу хімічних речовин та елементів в них є поверхневі, внутрішньогрунтові та підземні водні потоки, розподілення і рух котрих, в свою чергу, обумовлюється літолого-геоморфологічними факторами. В каскадних ландшафтно-геохімічних макро- та мегагеоситемах, згідно М.А.Глазовській (1988), зворотній геохімічний зв'язок обумовлюється атмосферним переносом речовини. Але як було доведено численними геохімічними дослідженнями останніх років, насамперед колективу ІМГРЕ під керівництвом Ю.Є.Саєта, у зонах інтенсивного техногенезу атмосферна міграція речовини техногенного походження, по-перше, є каналом не тільки зворотнього, а й прямого геохімічного зв'язку, а, по-друге, її просторово-диференціююча роль виявляється не тільки на макро- і мегарівнях, але й на мезо- та мікрорівнях міграційної структури геосистем. Зокрема, загальновідомим вже є ефект більшого атмосферного надходження техногенної речовини в елювіальні ландшафти порівняно із акумулятивними у межах потужних атмотехногенних ореолів розсіювання.

Методологічні і методичні складності екогоехімічних досліджень зон техногенезу посилюються ще й тим, що їх геохімічна диференціація обумовлюється також суто економічними, технологічними, містобудівельними чинниками, котрі в ландшафтній геохімії розглядаються, як правило, у якості чинників стороннього, зовнішнього впливу на «антропогенізований» ландшафт. Це стає принциповою перепоною при спробах системного дослідження геохімічної диференціації ландшафтів у зонах техногенезу. Отже, важливим є завдання комплексного врахування всіх чинників геохімічної диференціації ландшафтів у зонах техногенезу, незалежно від їх походження (природного чи штучного).

Однією з передумов адекватного вирішення поставленого завдання є положення про депонуючі середовища, котре в методичному плані було сформулюване Ю.Є.Саєтом із співавторами (1983, 1985), а в концептуальному – М.С.Касімовим із співавторами (1990). Згідно першим, між вмістом техногенної речовини у рухомих (повітря, вода) і депонуючих (грунти, донні відклади, рослини) середовищах (фактично – геокомпонентах) встановлюються достеменні стохастичні зв’язки. Згідно другим, депонуючі середовища обумовлюють екогеохімічні властивості геосистем у зонах техногенезу, в першу чергу. Насамперед, це стосується урбанізованих геосистем. Просторовий розподіл речовини у депонуючих середовищах відбиває міграційно-геохімічну диференціацію урбанізованого ландшафту, яка обумовлюється всім комплексом природних і техногенних чинників. Тому одним з важливих завдань екогеохімії зон техногенезу (насамперед, урбогенезу) є, по-перше, оцінка достеменності стохастичних зв'язків між геохімічними параметрами рухомих і депонуючих геокомпонентів, по-друге, виявлення закономірностей просторової геохімічної диференціації останніх та причин, що її обумовлюють.

Стохастичні зв'язки між техногенно обумовленими геохімічними параметрами ландшафтних компонентів

Для урболандшафтів України, Білорусі, Молдови та природно-аквальних комплексів Дніпра, що зазнають техногенного впливу, проводилася оцінка достеменності та з'ясування виду стохастичних залежностей між вмістом важких металів (ВМ) у рухомих і депонуючих геокомпонентах (природних середовищах). Вивчалася можливість біогеохімічної оцінки радіаційного забруднення грунтових вод у межах впливу пунктів поховання (ППРВ) та тимчасової локалізації (ПТЛРВ) радіоактивних відходів 30-км зони відчуження Чорнобильської АЕС, а також біогеохімічної реконструкції змін атмосферного забруднення важкими металами ландшафтів у різних природних і техногенних умовах України на протязі ХІХ–ХХ століть.

Оцінка стохастичних (кореляційних) залежностей між вмістом ВМ у рухомих та депонуючих компонентах ландшафтів у зонах техногенезу проводилася шляхом регресійного аналізу даних про вміст ВМ у повітрі та воді (усереднених за трирічний період спостережень), з одного боку, та про вміст ВМ у грунтах, рослинах (кора Populus nigra L., епіфітні лишайники) і донних відкладах, з другого. Для міських грунтів (урбаноземів за М.Н.Строгановою та М.Г.Агарковою, 1992) кількість пунктів спостережень (потужність вибірки) складала 28–58, для кори – 37–57, для лишайників – 13–32, для донних відкладів – 30. Кореляція вважалася достеменною, якщо віднайдений коефіцієнт  кореляції  перевищував  критичний  при 5 % рівні значимості для вибірки даної потужності.

Отримано наступні результати. За величиною коефіцієнту кореляції (в дужках) між вмістом ВМ у повітрі і вмістом їх кислоторозчинних форм у верхньому (0–2 см) урбаноземів вони розташувалися у такому порядку: Pb(0,76)> Zn(0,69)> Cu(0,52); для обмінних форм –   Pb(0,99)> Fe(0,81)> Zn(0,58)> Mn(0,46)> Cu(0,43); для водорозчинних –  Fe(0,87)> Cu(0,74)> Zn(0,37)> Mn(0,35). Достеменність кореляцій між вмістом ВМ у повітрі міст та корі Populus nigra L. зменшується так – Pb(0,98)> Mn(0,72)> Cu(0,66)> Fe(0,53)> Ni(0,38)> Zn(0,37). Залежності ж між вмістом ВМ у повітрі урбанізованих ландшафтів та епіфітних лишайниках (у перерахунку на один вид Xanthoria parietina (L.) Beltr.) співвідносяться таким чином – Fe(0,88)> Mn(0,74)> Pb(0,69)> Cu(0,68).

Величини коефіцієнтів кореляцій між вмістом ВМ у воді (істинно розчинні форми) і донних відкладах природно-аквальних комплексів Дніпра розташувалися у таких послідовностях. Для обмінних форм – Cd(0,64)> Co(0,50)> Zn(0,47); для карбонатних форм – Cd(0,64)> Cu(0,37); для адсорбованих на залізо-марганцевих оксидах та гідрокcидах –Cd(0,75)> Pb(0,58)> Co(0,49)> Zn(0,38); для адсорбованих органічною речовиною – Сd(0,39)> Zn(0,37); для форм, що знаходяться в донних відкладах у важко розчинному (залишковому) стані – Zn(0,60)> Mn(0,44)> Cu(0,37); і для валових форм – Cd(0,75)> Zn(0,42)> Co(0,39). Для органічних форм Mn і Pb, а також для залишкових форм Pb коефіцієнти кореляції приймають  від'ємні значення (–0,47 і –0,44; –0,55 відповідно), що свідчить про десорбцію вказаних форм даних металів з донних відкладів у воду.

Для всіх кореляційних залежностей, що відповідали прийнятому критерію  достеменності,  були обраховані відповідні  регресійні  рівняння. Це дає змогу за даними про вміст важких металів у депонуючих середовищах обраховувати величини усередненого їх вмісту в повітрі та воді. Абсолютна кількісна оцінка забруднення рухомих середовищ за станом забруднення середовищ депонуючих є принципово новим методом планшетного геохімічного моніторингу, в якому до сьогодні оперують здебільшого відносними кількісними показниками. 

 Шляхом феономенолого-геохімічного аналізу отриманих залежностей визначено реальні межі застосування відповідних регресійних рівнянь та з'ясована сутність тих процесів, завдяки яким дані залежності мають місце. Так, наприклад, майже функціональні залежності між вмістом кислоторозчинного та обмінного Pb в урбаноземах і його вмістом у повітрі пояснюються дією автомобільних вихлопів, а також геохімічними особливостями поведінки свинцю у верхньому шарі забруднених грунтів міст, де він на 94–98 % міститься в обмінній формі (Глазовская, 1994). Високі кореляції для марганцю, що міститься в рослинах, і низькі для Mn грунтових фракцій можна пояснити, в першому випадку, біофільністю елемента, в другому – його полівалентністю, яка процеси міграції Mn у грунтах робить дуже складними. Щільні кореляції між вмістом Cd у воді та донних відкладах Дніпра пояснюються високою технофільністю елемента при водночас низькому коефіцієнтові водної міграції, причому переважно в істинно розчинних формах (на відміну, скажімо, від Pb, котрий в річкових водах мігрує здебільшого адсорбованим на звислих часточках).

Дослідження соку дерев Betula pendula L., що ростуть біля або у межах ППРВ та ПТЛРВ у різних ландшафтних умовах Чорнобильської зони відчуження, показали ефективність його використання у якості геохімічного індикатора радіаційного забруднення грунтових вод. ¹³⁷Cs у соці беріз накопичується в кількості (n – nּ10³) Бк/л, а ⁹⁰Sr – в кількості (nּ10² – nּ10⁴) Бк/л, що може перевищувати вміст радіонуклідів у грунтових водах біля ППРВ, ПТЛРВ на три порядки для ¹³⁷Cs і на шість для ⁹⁰Sr (безбар'єрний тип поглинання за О.Л.Ковалевським). ¹³⁷Сs у соці дерев, що ростуть в межах трансакумулятивних елементарних геохімічних ландшафтів, накопичується у 4 а  ⁹⁰Sr у 2 рази інтенсивніше, аніж в тих, котрі ростуть в межах елювіальних елементарних геохімічних ландшафтів.

Порівняльні дослідження вмісту ВМ у гербарних та сучасних зразках лишайників, зібраних у різних природних зонах і в різних техногенних умовах України довели можливість їх використання для історико-геохімічних реконструкцій атмосферного забруднення довкілля. Зокрема встановлено, що в умовах інтенсивного техногенезу в Україні за останні 50–70 років середні рівні атмосферного забруднення ландшафтів важкими металами зросли в 2–4 рази по залізу, у 1,3–3,5 рази по свинцю, у 1,2–2 рази по міді, у 1,5 рази по цинку. Найбільш інтенсивно зростало забруднення атмосфери у степовій зоні.

Таким чином, в дисертації, по-перше, доведено, що хімічний склад депонуючих середовищ дійсно з тим чи іншим рівнем достеменності відбиває усереднений хімічний склад повітря і води, а, по-друге, запропоновано і обгрунтовано метод кількісного планшетного геохімічного моніторингу, тобто кількісної оцінки хімічного складу повітря і води за хімічним складом грунтів, рослин, донних відкладів.

Ландшафтознавчі основи урбогеохімічних досліджень

 Основним різновидом ландшафтів зон техногенезу, котрі досліджувалися в дисертації, були урбанізовані ландшафти. Як зазначалося, головною проблемою ландшафтно-геохімічних досліджень у зонах інтенсивного техногенезу, насамперед у містах, є проблема просторової геохімічної диференціації геосистем та комплексного врахування всіх її чинників, незалежно від того, є вони природними чи технологічними і містобудівельними. У зв'язку з виключною структурно-функціональною складністю урбанізованого ландшафту, ми відмовилися від принципу його геохімічного членування за якимось одним, або декількома принципами (зокрема за принципом катенарної диференціації), і поставили завдання показати та довести геохімічну специфікацію окремих урболандшафтних типів, виділених на загальноурболандшафтознавчих засадах. Для цього дані засади в дисертації було розроблено. Вони склалися з таких основних положень.

1. Використання концепції біосоціального та техногенних компонентів ландшафтів.. Дана концепція розроблена безпосередньо автором, виходячи з різних філософських точок зору (діалектико-матеріалістичної, феноменологічної, екзистенціально-топологічної). Вона відповідає загальним принципам філософської тоталогії (Кизима, 1995, 1999) і знаходиться у контексті постнекласичної методології ландшафтознавства (Пащенко, 1999), в тому числі урболандшафтознавства (Тютюнник, 1993). Вихідним принципом тоталогії є  взаємообумовленість об'єкта і суб'єкта.

Виходячи з даного принципу в дисертації було прийнято наступний постулат: люди, технічні об'єкти та штучні інженерні споруди є повно- та рівноправними ландшафтними компонентами. Люди (організовані в суспільство) є біосоціальним компонентом ландшафтів, а технічні об'єкти і штучні інженерні споруди є техногенними компонентами ландшафтів.  Біосоціальній та техногенні ландшафті компоненти в принципі не є субстанціями та факторами зовнішніми по відношенню до ландшафту, а є його органічними складовими.

2. Використання концепції техногенезу як тотальності. Концепція розроблена автором, є слідством концепції БТК. Згідно їй всі без виключення процеси генерування та перетворення речовини, які обумовлюються суспільним виробництвом, є процесами геохімічними. Ці процеси є технолого-геохімічною складовою техногенезу. Оскільки практично усі технологічні процеси відбуваються в межах ландшафтної оболонки, то ці процеси є також ландшафтно-геохімічними (технологічні ландшафтно-геохімічні процеси). Водний і повітряний перенос техногенних речовин від ландшафтів, що мають у своєму складі техногенні геокомпоненти, до тих, які у своєму складі їх не мають, є техногенно-геохімічною складовою парадинамічної взаємодії між ландшафтами.