Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Изучая ландшафт как саморегулирующуюся незамкнутую систему взаимосвязанных компонентов, необходимо рассматривать качественные и количественные характеристики связей и отношений, в которых находятся компоненты друг с другом. Биогеохимические отношения в ландшафтах могут быть выявлены при изучении миграции химических элементов, приводящей к геохимической неоднородности субстрата компонентов. При этом межкомпонентные и внутрикомпонентные отношения количественно выражаются через показатели вертикального перераспределения химических элементов, корреляционные причинные зависимости между различными компонентами. Наличие высоких корреляционных зависимостей биогеохимических параметров косвенно свидетельствует о тесноте (степени связи) взаимоотношений компонентов. Так как ключевые средообразующие и средозащитные функции в городских экосистемах выполняют почвенные и растительные компоненты, то изучение процессов перераспределения элементов в системах «почва-растения» и «растения-растения» позволяет оценить интенсивность процессов техногенеза на урбанизированных территориях.

Цель исследования – выявление особенностей складывающихся биогеохимических связей и отношений в биоэкосистемах города Ставрополя. В связи с этим проведёно изучение микроэлементного состава почвенного и растительного компонентов городских ландшафтов, выполнены количественные оценки тесноты межкомпонентных и внутрикомпонентных связей в городских ландшафтах.

Материал и методы исследования

Объектами биогеохимического исследования в городе послужили естественные и антропогенно-преобразованные почвы и растения, доминирующие в фитоярусах: древесном – робиния ложноакация (Robinia pseudoacacia), травяном – пырей ползучий (Elytrigia repens), моховом – Pleurosium schreberi. Полученные выводы базируются на аналитических данных по содержанию меди, цинка, свинца, кадмия, полученных методом вольтамперометрического элементного анализа проб почв (117 пробы), древесной и травянистой растительности (102 пробы). Отбор происходил в пределах элементарных биоэкосистем (элементарных эколого-геохимических систем), характеризующихся единством почвы и растительного сообщества в пределах элементарной формы рельефа, где сохраняются одни и те же основные условия жизнедеятельности биоты [6]. В качестве фоновых (природных) показателей для городских почв выбраны параметры содержания химических элементов в почвах природного музея-заповедника «Татарское городище», непосредственно прилегающего к городской территории [1, 4].

Город Ставрополь располагается в пределах Верхнеегорлыкского ландшафта типичных лесостепей [8], занимающего наиболее приподнятые участки Ставропольской возвышенности с абсолютными отметками от 350 до 650 м. Эти высоты связаны с выходом на поверхность относительно стойких пластов песчаника и известняка-ракушечника среднесарматского возраста. Рельеф отличается ярусностью строения и преобладанием останцово-склоново-балочной скульптуры. Умеренно континентальный климат ландшафта определил произрастание лесостепей с буково-дубово-грабовыми лесами в верховьях балок и злаково-богаторазнотравной степной растительностью. Особенности климата и растительность определили формирование в степных участках предкавказских мощных черноземов. С учетом современных биоклиматических и геоморфологических условий миграции химических элементов в пределах города выделяются: элювиальные ландшафты плакора структурно-денудационных плато верхнесарматской поверхности выравнивания; трансэлювиальные ландшафты склонов структурно-денудационных плато, сложенных песками и глинами среднего сармата; трансаккумулятивные ландшафты эрозионно-денудационных равнин акчагыльской поверхности выравнивания, сложенные глинами и мергелями среднего сармата; трансэлювиальные ландшафты эрозионных склонов речных долин, крупных балок, сложенные глинами сармата и четвертичными делювиально-аллювиальными отложениями.

Техногенное воздействие на город проявляется в существовании более или менее четко выраженных функциональных зон: селитебной (одноэтажной и многоэтажной), промышленной, транспортной, лесопарковой и дачной. Для Ставрополя, где на сравнительно небольших территориях сосредоточены крупные производства, продолжает оставаться высоким уровень загрязнения природных компонентов. С выбросами от стационарных источников загрязнения в атмосферу города в 2011 году поступило до 4121 тыс. т загрязняющих веществ, что составило 6,1 % от общих выбросов в атмосферу Ставропольского края [5]. Многоаспектный характер комплексного техногенного воздействия приводит к трансформации потоков вещества и их иному перераспределению в пределах отдельных ярусов и компонентов городских ландшафтов.

Результаты исследования и их обсуждение

По лабораторным исследованиям городских почв на содержание Cu, Cd, Zn, Pb были сделаны выводы об их концентрациях в почвах обследуемой территории. В пробах было выявлено превышение ОДК Cu до 1,3 раза, Cd – до 24 раза, Zn – 1,5 и Pb – 2,6 раз. Анализ загрязнения городских почв химическими элементами обнаруживает определенную связь распределения техногенных аномалий химических элементов с ландшафтной структурой города (рис. 1). Территориальное расположение аномалий меди в городских почвах характеризуется приуроченностью к крупным промышленным узлам (северо-западному, восточному и юго-восточному) и центральной части города. Значительные площади плакора и склонов структурно-денудационных плато загрязнены медью в пределах 1,6–1,9 фона.

Анализ загрязнения почв кадмием в соответствии с ландшафтной структурой города показывает повсеместное загрязнение территории, т.е. идет накопление элемента вне зависимости от положения в ландшафтном сопряжении. Среднее содержание кадмия в почвах города – 4,7 мг/кг, что составляет 7,8 фоновых значений. Среднее содержание свинца в почвах города – 54,2 мг/кг. Педогеохимические аномалии свинца относительно фона занимают практически всю территорию города. Увеличение интенсивности загрязнения наблюдается в северо-восточном направлении. Аномалии свинца на автономных позициях плакора увязаны с крупными транспортными магистралями и несколько повторяют их вытянутую форму. Превышения содержания цинка в почвах по природному фону приурочены большей частью к подчиненным трансэлювиальным ландшафтам.

Особенности химического состава почв различных функциональных зон г. Ставрополя устанавливались путем его сравнения с показателями для фоновой территории (рис. 2). Анализ полученного геохимического спектра показал, что в почвах промышленной зоны высока интенсивность накопления всех рассматриваемых элементов: Cd (Кс = 7,5), Pb (Кс = 6,0), Cu (Кс = 3,6), Zn (Кс = 2,5). В почвах транспортной зоны интенсивность концентрирования элементов несколько ниже: Cd (Кс = 6,7), Pb (Кс = 5,9), Cu (Кс = 3,9), Zn (Кс = 1,1). В почвах селитебных (многоэтажной и одноэтажной) зон происходит аккумуляция Pb (Кс = 2,2-2,4), дачной – деконцентрация Cu (Кр = –1,7).

Рис. 1. Составные диаграммы размаха для концентраций микроэлементов в почвах городских ландшафтов: a – элювиальных плакора; b – трансэлювиальных склонов; с – трансаккумулятивных равнин; g – склонов речных долин и балок

Рис. 2. Геохимический спектр элементов почвах функциональных зон г. Ставрополя. Коэффициенты концентраций (Кс) и коэффициенты рассеяния (Кр) рассчитаны относительно концентраций в почвах фоновой территории

Особенности миграции элементов между компонентами и ярусами городских ландшафтов, их коллективное геохимическое взаимодействие приводят к формированию определенного инварианта биогеохимических связей и отношений. В пределах биоэкосистем различных функциональных зон города проведено сопоставление распределения химических элементов по почвенному, моховому, травяному и древесному ярусам. Учет приуроченности зон максимального содержания элементов к ярусам вертикального профиля элементарных биоэкосистем города позволил выделить три типа вертикальной дифференциации концентраций элементов: почвенно-древесный, почвенно-моховой, почвенно-травяной. Наиболее распространенным типом вертикального распределения концентраций элементов является почвенно-моховой тип, выделяющийся максимальным накоплением элемента в почвенных горизонтах и во мхах. Почвенно-древесный тип дифференциации содержаний элемента отличается самыми большими его концентрациями в почве и в древесном ярусе. Почвенно-травяной тип имеет максимальное накопление элемента в почвенном и травяном ярусах и встречается редко.

Для меди преобладает почвенно-древесный тип распределения по вертикальному профилю биоэкосистем селитебной, лесопарковой и дачной зон. И только в биоэкосистемах промышленной и транспортной зон тип распределения сменяется на почвенно-моховой. Свинец в ярусах вертикального профиля биоэкосистем различных функциональных зон распределяется по почвенно-моховому типу. Большая дифференциация в перераспределении наблюдается для цинка: в биоэкосистемах селитебной и промышленной зон элемент распределяется по почвенно-моховому типу, а в менее антропогенно нагруженных биоэкосистемах дачной и лесопарковой зон – по почвенно-древесному типу.

Изучение складывающихся биогеохимических связей и отношений в биоэкосистемах города также возможно с использованием моделей субъект-объектных и объект-объектных отношений в ландшафтах [7]. Модель субъект-объектных отношений исследовалась в системе «почва-растение» с рассмотрением межкомпонентных связей между почвой как субъектом и ярусами растительного компонента городских ландшафтов как объектами. При этом в экоцентрической системе субъект-объектных отношений в качестве «структурного центра», определяющего связи, единство и управление, выступает почва. В почве «встречаются и взаимодействуют потоки вещества и энергии, связывающие все компоненты ландшафта в единое целое» [2]. Древесный, травяной и моховой ярусы растительного компонента городских ландшафтов по отношению к почве выступают в качестве внешней (окружающей) среды, находящейся как в прямых, так и обратных взаимоотношениях со «структурным центром» модели. Модель объект-объектных отношений рассматривалась в пределах системы «растение-растение» с анализом внутрикомпонентных (внутрифитоценотических) связей между древесными, травяным и моховым ярусами растительного компонента городских ландшафтов.

Проведение корреляционного анализа позволило установить тесноту связей в моделях субъект-объектных и объект-объектных отношений в зависимости от ландшафтной структуры. Межкомпонентные связи между почвой и ярусами растительного компонента городских ландшафтов сильнее всего выражены в элювиальных условиях плакора верхнесарматской поверхности выравнивания (таблица). Для меди в системе «почва-растение» коэффициент корреляции r = 0,71 (р = 0,05, n = 50), причем интенсивнее связи почвы с древесным и травяным ярусами. Для цинка теснота связи в системе «почва-растение» оценивается значением r = 0,89, и обнаруживаются высокие значения коэффициента корреляции почвы со всеми ярусами растительного компонента. У свинца (r = 0,57) и кадмия (r = 0,60) в плакорных условиях приблизительно одинаково выражена теснота связи почв с растительными ярусами, особенно с древесным и моховым. В целом почвы ландшафтов плакора структурно-денудационных плато более значимо коррелируют с древесным ярусом (r = 0,41), что свидетельствует о складывающихся более тесных геохимических взаимоотношениях почв с многолетней древесной растительностью, чем с однолетней травянистой.

Коэффициенты корреляции в системах «почва-растение» (П-Р) и «растение-растение» (Р-Р)

В трансэлювиальных и трансаккумулятивных ландшафтах городской территории отмечается относительное ослабление межкомпонентных связей между почвой и ярусами растительности для всех элементов. В то же время по сравнению с плакорными условиями отмечается тенденция к увеличению значения коэффициента корреляции, определяющего значимость и тесноту внутрифитоценотических связей в системе «растение–растение».

Выводы

– В верхних почвенных горизонтах г. Ставрополя образуются положительные техногенные аномалии химических элементов различной контрастности, характер которых имеет определенную связь с ландшафтно-функциональной структурой города. Структура техногенных ореолов геохимических аномалий отличается постепенным уменьшением концентраций металлов от центра к периферии.

– Биогеохимическая специфика элементарных биоэкосистем города проявляется в характерном типе вертикальной дифференциации концентраций элементов. Более интенсивная антропогенная нагрузка в промышленной и транспортной зоне города сглаживает биогеохимические различия ярусного перераспределения концентраций элементов, и тип становится одним для всех элементов – почвенно-моховой.

– На плакорных поверхностях городской территории более прочные межкомпонентные связи между почвами и ярусами растительности. В трансэлювиальных склоновых условиях более сильными становятся внутрикомпонентные связи (между древесными, травяным и моховым ярусами фитоценоза), т.е. в условиях выноса и относительной аккумуляции элементов увеличивается степень автономности растительности по отношению к литогенной основе.

Рецензенты:

Лысенко А.В., д.г.н., доцент, заведующий кафедрой физической географии и ландшафтоведения ИМЕН Северо-Кавказского федерального университета, г. Ставрополь;

Мишвелов Е.Г., д.г.н., профессор кафедры экологии и природопользования ИМЕН Северо-Кавказского федерального университета, г. Ставрополь.

Работа поступила в редакцию 03.09.2013.