Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Широкое применение в зимний период противогололедных смесей (ПС) имеет неблагоприятные экологические последствия для городской среды, связанные с засолением снега и почв. Реагенты ПС представляют собой химически активные вещества, отрицательно влияющие на здоровье горожан, способствующие коррозии машин и металлических конструкций, разрушающие здания и исторические памятники.

Компоненты смесей, поступая из снега в городские почвы, негативно сказываются на процессах их функционирования, изменяют свойства, химический состав и строение профиля. Аккумуляция солей в поверхностных слоях почв приводит к деградации растительного покрова и является одной из причин гибели зеленых насаждений в городе [1, 8, 10–12, 14]. Засоление почв влияет на подвижность многих токсичных тяжелых металлов и ПАУ [6, 7, 11, 15] и способствует образованию их вторичных аккумуляций в городской среде [12]. Катион натрия, содержащийся в ПС, вытесняет катионы кальция и магния из поглощающего комплекса почв, разрушая структуру и усиливая подвижность органического вещества [8, 13].

Цель данной работы – изучение многолетней динамики содержания легкорастворимых солей в снеге и почвах разных функциональных зон Восточного административного округа (ВАО) Москвы в связи с применением ПС, которые применяются в округе во все возрастающих объемах [4, 9]. В основу статьи положены результаты геохимического мониторинга за 21-летний (1989–2010 гг.) период. Для достижения цели решались следующие задачи:

• определить химический состав ПС, уровни содержания и особенности распределения легкорастворимых солей в снеговых водах и почвах разных функциональных зон округа за отдельные годы наблюдений;
• выявить многолетние тренды накопления ионов-загрязнителей в поверхностном слое почв ВАО.

Территория ВАО Москвы расположена на водоразделе рек Москвы и Клязьмы, относится к южно-таежным ландшафтам Подмосковной Мещеры и представляет собой плоскую зандровую равнину с отметками абс. высот 150–160 м, сложенную песками и супесями. На большей части территории распространены антропогенно-преобразованные почвы, сформированные на культурном слое, насыпных, переотложенных и перемешанных грунтах и реже – на естественных почвообразующих породах. Значительные площади почв находятся под асфальтобетоном, жилыми и промышленными постройками. Природные (зональные) дерново-подзолистые, подзолисто-болотные и болотные почвы сохранились лишь в периферийной части округа, а также на отдельных участках крупных лесопарков.

Мониторинг засоления снега и почв проводился по общепринятой методике в южной части ВАО с плотной дорожной сетью, включающей МКАД, ш. Энтузиастов, Свободный просп., ул. Плеханова, Металлургов и др. В 1989, 2005 и 2010 гг. на территории муниципальных районов Вешняки, Кусково, Ивановское, Перово, Новогиреево, Новокосино и Косино-Ухтомский проведены три почвенно-геохимические и две снегомерные съемки.

Снежный покров опробовался в конце февраля - начале марта по сетке с шагом 500-700 м. Пробы снега отбирались по всей его глубине пластиковой трубой с площадью поперечного сечения 20 см² в тех же точках, что и почвы. После оттаивания при комнатной температуре из снега выделялись две фракции - твердая (взвесь) и жидкая. Анионный состав раствора (HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, NO₃^-) определялся методом жидкостной хроматографии, катионный (Са²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺) - атомно-абсорбционным методом с пламенной атомизацией в Эколого-геохимическом центре географического факультета МГУ. При опробовании почв пробы отбирались из поверхностного (0-15 см) горизонта. Фоновые почвы и снег изучались на территории Подмосковной Мещеры, в 45-50 км к востоку от города. Состав легкорастворимых солей в пробах ПС и почв определялся в водной вытяжке.

Для основных ионов рассчитывались коэффициенты накопления в снеге и почвах Кс = Сгор/Сфон, где Сгор, Сфон – среднее содержание иона в городских и фоновых пробах. В связи с отсутствием классификации городских почв по степени засоления уровень содержания солей оценивался по классификации, разработанной для природных засоленных почв [3]. В качестве порога токсичности принят предел засоления городских почв 0,1 % плотного остатка, установленный для нормального произрастания древесных насаждений.

Функциональное зонирование территории округа и картографирование уровней содержания легкорастворимых солей в почвах выполнено Т.С. Хайбрахмановым в программном пакете ArcGIS 9.0.

Характеристика противогололедных смесей

В северных странах с гололедом на дорогах борются с помощью различных по составу химических и механических реагентов [4]. Основными средствами, используемыми в мире для удаления снега и льда с городских магистралей и тротуаров, являются поваренная соль (NaCl), песок и мелкий щебень [9]. К альтернативным органическим смесям, которые не обладают корродирующими свойствами NaCl, относят муравьинокислый калий (KFo), ацетат калия (KAc) и кальциево-магниевый ацетат (CMA).

В Москве набор средств борьбы с гололедом представлен преимущественно хлоридной группой – реагентами на основе хлоридов кальция, магния, натрия, калия, а также их смесями в различных сочетаниях. При зимней уборке дорог Москвы обычно проводится система превентивных мер: в зависимости от метеопрогноза, еще до выпадения снега дороги обрабатывают жидкими реагентами – 28 %-м раствором CaCl2 и NaCl [4]. Всего в зимнее время дорожные службы Москвы используют в среднем около 270 тыс. т солевых реагентов. С 2011 г. объемы закупок твердых химикатов заметно увеличились и за зиму 2012–2013 гг. составили 450 тыс. т. При этом экологически приемлемый уровень валовой нагрузки по Cl^- на природную среду Москвы составляет не более 30–40 тыс. т в год [9]. Если до 1993 г. в городе применялась песчано-солевая смесь с небольшим количеством соли – до 8–10 % NaCl [8], то в последнее время – практически чистая поваренная соль с добавлением CaCl2 [9].

Химический состав ПС и снежного покрова на территории ВАО

На территории Москвы применяются реагенты, которые не менее чем на 93 % состоят из технической поваренной соли [9]. По нашим данным, используемые на территории округа ПС также практически полностью образованы поваренной солью, содержание которой достигает 95–96 %. Ионы других солей в смесях содержатся в незначительных количествах, преобладают сульфаты кальция. Содержание суммы солей в реагентах составляет в среднем 3260 смоль(экв)/кг.

Из талых вод компоненты ПС поступают в почвы. На урбанизированных территориях наряду со смесями снежный покров аккумулирует многие химические элементы и их соединения, загрязняющие атмосферу города, поэтому его считают индикатором антропогенной нагрузки на городскую среду. Химический состав снега дает информацию об имиссии загрязняющих веществ, т.е. об их выпадении на снежный покров в течение всего холодного периода [14]. Средняя величина рН, состав солей и минерализация снеговых вод в условиях загрязнения территории ВАО и фоновых ландшафтов Подмосковной Мещеры приводятся в табл. 1.

Таблица 1

Кислотность (рН), среднее содержание и сумма основных ионов (мг/л) в снежном покрове Подмосковной Мещеры и ВАО Москвы

Примечание. *n – число проб. **Кс рассчитан относительно фоновых содержаний ионов. Жирным выделены концентрации Кс доминирующих ионов. Прочерк – не определялось.

Снеговые воды природных ландшафтов Подмосковной Мещеры имеют низкую минерализацию, в среднем 9,5 мг/л. Среднее фоновое содержание ионов хлора и натрия в талых водах составляет 1,55 и 0,74 мг/л. По преобладающему ионному составу воды относятся к сульфатно-хлоридному кальциевому классу.

Величина рН талого снега на территории округа, по данным 2005 и 2010 гг., изменяется в пределах 4,5–7,6 при средних значениях 6,1–6,2. Подщелачивание снежного покрова относительно фоновых территорий составляет 0,5–0,6 единиц. Наиболее высокие значения рН приурочены к промышленным зонам и автомагистралям, что обусловлено поступлением карбонатной пыли [5] и солевых реагентов [9]. Средняя минерализация талой воды составляет 16,0 и 20,5 мг/л, что в 1,7 и 2,2 раза превышает фоновые значения. Величина минерализации и концентрации отдельных ионов в снеге ВАО за 5-летний период увеличились в 1,2–2,7 раза.

В 2005 г. среди анионов в снеговых водах доминировали сульфаты (Кс 2,0) и хлориды (Кс 1,7), а среди катионов – кальций (Кс 2,1). В 2010 г. в талых водах стали преобладать хлориды (Кс 4,5), кальций (2,4) и натрий (2,4). Всего за пять лет сульфатно-хлоридный кальциевый состав снеговых вод в округе сменился на хлоридно-кальциевый и хлоридно-натриевый, что обусловлено интенсивным и бесконтрольным применением ПС, таких как CaCl2 и NaCl [9]. На юге ВАО встречаются воды сульфатно-кальциевого класса, которые сформировались под воздействием ТЭЦ-22, а близ ш. Новоухтомского и Энтузиастов – нитратно-кальциевого класса, обусловленного воздействием автотранспорта [5].

Приведенные данные согласуются с результатами многолетних (1999–2006 гг.) исследований кислотности и химического состава снега на территории Московского региона [2], согласно которым средние величины рН снега составляют 6,09 для Москвы и 5,63 для Подмосковья, при минерализации 15,9 и 9,4 мг/л соответственно. По ионному составу снеговые воды ВАО Москвы отнесены к сульфатно-хлоридному кальциевому классу. Средняя минерализация снеговых вод округа зимой 2005 г. была близка к полученным нами данным и составила 9,4 мг/л с доминированием в их составе сульфатов и хлоридов.

Многолетняя динамика легкорастворимых солей в почвенном покрове ВАО

Фоновые дерново-подзолистые почвы Московской области содержат легкорастворимые соли в незначительных количествах. Почвы фоновых ландшафтов имеют в среднем кислую реакцию среды (рН 4,9), очень низкое содержание солей (0,75 смоль(экв)/кг), преимущественно бикарбонатно-кальциевый состав ионов и небольшой плотный остаток (0,03 %), что указывает на отсутствие засоления (табл. 2).

Таблица 2

Величина рН и среднее содержание легкорастворимых солей (смоль(экв)/кг почвы) в поверхностном (0-15 см) слое почв Подмосковной Мещеры и ВАО Москвы

В условиях города значительная часть легкорастворимых соединений снеговых вод аккумулируется почвами, что приводит к их прогрессирующему засолению (табл. 2).

В 1989 г. почвы ВАО имели в основном нейтральную реакцию среды: средняя величина рН равнялась 7,2 при колебаниях 6,0–8,1, подщелачивание почв относительно фоновых ландшафтов составляло в среднем 2,3 единиц, а уровень содержания солей – 10,2 смоль(экв)/кг почвы. Почвы характеризовались повышенным плотным остатком (0,31 %), что соответствует средней степени засоления с преобладанием в составе солей ионов хлора и натрия, содержание которых превысило фоновое в 72–77 раз. Почвы ВАО отличались высокой неоднородностью содержания солей с коэффициентами вариации Cv для хлоридов натрия 79–99 %.

В 2005 г. процесс антропогенного подщелачивания почв ВАО привел к росту значений рН, которые достигли в среднем слабощелочных значений (7,8) при колебаниях 6,4–8,8 (табл. 2). Подщелачивание почв по сравнению с фоном составило в среднем 2,9 единиц. Содержание солей относительно фона увеличилось почти в 17 раз и составило 12,5 смоль(экв)/кг почвы. Величина плотного остатка выросла до 0,39 %, что определило средний уровень засоления почв [3]. При этом характер засоления почв остался хлоридно-натриевым, но уровень содержания доминирующих ионов значительно вырос: содержание хлоридов натрия превысило фон в 85–97 раз. Неоднородность их содержания в почвах осталась высокой: Cv составил 80–94 %.

В 2010 г. средняя величина рН в поверхностном слое почв по сравнению с 2005 г. уменьшилась до нейтральной и составила 7,2 при колебаниях 6,0–8,5, а уровень содержания солей по сравнению с фоном вырос в 20 раз и достиг 15,2 смоль(экв)/кг (табл. 2). Средняя величина плотного остатка увеличилась до 0,48 %, свидетельствуя о сильной степени засоления почв с преобладанием в составе почвенного раствора ионов хлора, натрия и кальция. Содержание хлоридов натрия превысило фоновые концентрации в 86–99 раз. Среди катионов одно из доминирующих мест занял ион кальция с превышением фона в 11,5 раз, что объясняется использованием в последние годы в качестве ПС CaCl₂ [9]. Неоднородность уровней содержания хлоридов натрия и кальция в почвенном покрове округа сохранилась на высоком уровне (Cv 70–90 %).

Распределение легкорастворимых солей в поверхностном слое почв ВАО отражают карты (рисунок), составленные по данным о содержании суммы солей и выраженные в градациях плотного (сухого) остатка в июле 1989, 2005 и 2010 гг. Анализ карты 1989 г. показывает, что значительные площади почв в центре и на востоке округа – от Терлецких озер до Кусковского парка, относящиеся преимущественно к рекреационной и селитебной зонам, были не засолены (плотный остаток < 0,1 %) или засолены слабо (0,1–0,2 %), что объясняется небольшими объемами внесения ПС в городе в 1990-е гг. [9]. На этом фоне отдельными пятнами вдоль ш. Энтузиастов и МКАД выделяются техногенные аномалии солей со средним (0,2–0,4 %) уровнем засоления почв.

К 2005 г. выявленные ранее техногенные аномалии солей в почвенном покрове округа значительно увеличили свои размеры и контрастность (рисунок), а уровень засоления почв (по осредненному значению плотного остатка) вырос за 16-летний период в 1,3 раза (табл. 2). Наиболее контрастные аномалии с плотным остатком более 0,8 %, что соответствует очень сильному засолению, сформировались на северо-западе и севере округа вдоль ш. Энтузиастов, а также в месте пересечения ш. Энтузиастов и МКАД. Участки среднего (0,2–0,4 %) и сильного (0,4–0,8 %) засоления почв располагались преимущественно вдоль ш. Энтузиастов и МКАД и в пос. Кожухово. Незасоленные и слабозасоленные почвы встречались отдельными небольшими пятнами в центральной и северо-восточной частях округа.

В 2010 г. (рисунок) наблюдалось дальнейшее увеличение размеров и интенсивности техногенных аномалий солей в почвах ВАО. Аномалия с максимально высоким (более 1 %) содержанием плотного остатка в почвах выявлена в транспортной и промышленной зонах в северо-западной части округа. Почвы с очень сильным засолением (плотный остаток 0,8–1,0 %) выявлены на отдельных участках вблизи МКАД. Наиболее протяженные аномалии с сильным засолением почв образовали сплошные достаточно широкие полосы по обеим сторонам автомагистралей. Аномалии среднего уровня засоления сформировались в центральной части территории округа и восточнее МКАД. Незасоленные и слабозасоленные почвы занимают небольшие площади в районе Свободного просп., улиц Юности, Молдагуловой и Салтыковской, а также западнее ул. Плеханова. По сравнению с 2005 г. усилилась степень засоления почв селитебной зоны, а в центральной части округа исчезли локальные пятна незасоленных почв.

Солевой состав почвенного раствора по территории округа довольно неоднороден и изменяется по функциональным зонам следующим образом: почвы транспортной и промышленной зон имеют преимущественно хлоридно-натриевый тип засоления, рекреационной и сельскохозяйственной – бикарбонатно-кальциевый, селитебной – хлоридно-кальциевый.

Максимальное содержание солей наблюдалось весной 2010 г. в поверхностном слое почв вблизи крупных автомагистралей, где плотный остаток достигал 2,1–2,8 %, а сумма солей – 78,8–79,6 смоль(экв)/кг, что соответствует очень сильной степени засоления, которая не свойственна природным почвам южно-таежных ландшафтов, а наблюдается только в солончаках аридных регионов. Содержание хлоридов на глубине 0–10 см в почвах транспортной и промышленной зон составляет 39,4 и 38,7, а ионов натрия – 32,6 и 33,9 смоль(экв)/кг соответственно, что негативно влияет на произрастание растений. Некоторые виды древесных насаждений, в частности липа, переносят очень незначительное содержание хлора в почве – до 7 смоль(экв)/кг, а устойчивость тополя и березы еще ниже [8]. Плотный остаток 0,2–0,4 % (среднее засоление почв) является пределом для роста и развития ряда деревьев и кустарников, используемых в столице для озеленения [8]. Средняя степень засоления почв характерна для верхних горизонтов почв в селитебной зоне округа. Незасоленными остаются только почвы рекреационной и сельскохозяйственной зон: плотный остаток в них не превышает 0,1 %.

Темпы аккумуляции доминирующих ионов в почвах округа

Тенденции накопления основных ионов солей в почвах округа оценивались для двух периодов: 1989–2005 и 2005–2010 гг. путем расчета средней скорости ежегодного прироста суммы солей и содержания доминирующих ионов в поверхностном слое почв (табл. 3).

Техногенные аномалии легкорастворимых солей (по плотному остатку) в поверхностном (0–15 см) горизонте почв ВАО Москвы (данные июля 1989, 2005, 2010 гг.)

Таблица 3

Средняя скорость ежегодного прироста содержания доминирующих ионов и суммы солей в почвах ВАО Москвы за 1989–2005 и 2005–2010 гг.

Темпы антропогенного соленакопления в почвах округа в 2005–2010 гг. были в 3,8 раза выше по сравнению с 1989–2005 гг. В 1989–2005 гг. средняя скорость ежегодного прироста суммы солей в поверхностном слое почв составила 0,144, а прироста ионов Na и Cl – 0,05 смоль(экв)/кг. В 2005–2010 гг. темпы накопления солей увеличились до 0,54 смоль(экв)/кг, а Na и Cl – уменьшились в 3 раза. Обратная картина наблюдалась для ионов Ca и Mg, скорость прироста которых за второй период возросла в 4–4,5 раза. Это можно объяснить переходом на новые антигололедные реагенты, в составе которых стали преобладать кальций и магний. Тем не менее при сохранении объемов внесения антигололедных реагентов в ближайшем будущем можно ожидать ухудшения экологического состояния почв ВАО в связи с ростом их засоления.

В составе поглощающего комплекса почв ВАО обнаружено высокое содержание обменного натрия, что свидетельствует о развитии их осолонцевания, которое является наиболее экологически опасным видом засоления городских почв. Если в 1980-е гг. солонцеватость в почвах Москвы не проявлялась [8], то с начала 2000-х гг. этот процесс уже зафиксирован вблизи ряда крупных автомагистралей города, где содержание обменного натрия в поверхностном слое почв достигло 24–43 % от суммы катионов [10].

Для уменьшения засоления городских почв требуется проведение специальных мелиоративных мероприятий. Высокая токсичность хлоридов снижается путем промывки почвенного профиля от солей, а щелочная реакция нейтрализуется гипсованием, внесением серы, квасцов, сульфидов железа и ряда других кислотных веществ.

Выводы

1. Большие объемы и длительность применения ПС на территории ВАО Москвы вызвали антропогенное засоление и подщелачивание снежного покрова и почв, то есть развитие процессов, не характерных для зональных почв южно-таежных ландшафтов. За 21-летний период минерализация (сумма солей) почвенного раствора и плотный остаток в округе увеличились в среднем в 1,5 раза, а по сравнению с региональным фоновым уровнем – в 16–20 раз. Хлоридно-натриевое засоление почв к 2010 г. сменилось на хлоридно-натриево-кальциевое, что обусловлено изменением состава применяемых смесей.
2. Мониторинговые наблюдения выявили рост размеров и контрастности техногенных аномалий легкорастворимых солей в почвах ВАО, что подтверждают карты 1989, 2005 и 2010 гг. Многолетняя динамика засоления почв отличается усилением солевого процесса и высокой вариабельностью содержания солей в пределах отдельных функциональных зон. Экстремально высокое содержание солей – до 2,1–2,8 % плотного остатка – наблюдалось в почвах транспортной зоны весной 2010 г. Темпы соленакопления в почвах округа в 2005–2010 гг. возросли в 3,8 раза по сравнению с периодом 1989–2005 гг.
3. Мониторинг антропогенной галогенизации городских почв должен обеспечивать выявление ее многолетних трендов и разработку научно обоснованных норм внесения солевых реагентов, принимая во внимание потенциальную опасность их многолетней аккумуляции в почвах. Для рассоления почв ВАО и улучшения их водно-физических свойств требуется проведение комплекса специальных химических мелиораций.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Русского географического общества (проект № 13-05-41191).

Рецензенты:

Красовская Т.М., д.г.н., профессор кафедры физической географии мира и геоэкологии, географический факультет, МГУ имени М.В. Ломоносова, г. Москва;

Пиковский Ю.И., д.г.н., ведущий научный сотрудник кафедры геохимии ландшафтов и географии почв, географический факультет, МГУ имени М.В. Ломоносова, г. Москва.

Работа поступила в редакцию 06.10.2014.