Методологические аспекты геохимии городских ландшафтов
В классе антропогенных ландшафтов, как высшей единицы в классификации (систематике) ландшафтов Беларуси, выделяются городские ландшафты. Они представляют собой урбанизированные системы (центры) сосредоточения населения в плотных застройках в сочетании с промышленной, транспортной, социально-бытовой инфраструктурой, интенсивным импактным загрязнением городской среды.
На территории городов отчетливо проявляются два основных техногенных процесса – концентрирование больших масс химических элементов и их рассеяние. Поэтому все компоненты городской среды испытывают существенную техногенную геохимическую трансформацию. Концентрация в городах промышленных производств и автотранспорта, наличие искусственных сооружений и покрытий интенсифицируют геохимические процессы, нарушают естественные циклы химических элементов и их соединений. Это приводит к коренному преобразованию природной ландшафтно-геохимической ситуации в городах и, как следствие, возникновению зон повышенной экологической опасности. Вместе с тем города являются крупными источниками поступления техногенных веществ на пригородные территории. Как правило, площадь геохимического воздействия города превышает его территорию в 20–50 раз, а экологический след Лондона, например, больше его территории в 125 раз [92].
Опасность химического загрязнения природной среды крупных промышленных городов и мегаполисов мира представляет собой угрозу не только локального, но и регионального уровня. Многие города по интенсивности и площади распространения аномалий техногенных веществ в природных средах уже сейчас формируют техногенные геохимические и биогеохимические провинции [93].
Существенная хемотрансформация среды крупных городов обусловлена, как правило, чрезмерной концентрацией промышленных производств, быстрым ростом численности транспортных средств, низким уровнем внедрения энергосберегающих и малоотходных технологий и рядом других причин, негативно влияющих на городскую среду.
Высокий уровень концентрации химических веществ в городах и их опасность для населения и природных систем обусловили особое место геохимических методов в структуре исследований городов. Геохимические методы исследования позволяют выявить источники загрязняющих веществ, проследить их распределение в городской среде, оценить экологические риски и на их основе разработать меры по ее улучшению.
Выделяют три основных методических подхода, или концепции, геохимического изучения городов: эмиссионная, водооборота города и эколого-геохимическая [94].
В рамках эмиссионного подхода анализируется химический состав воздушной среды и выбросов в атмосферу как главного фактора экологической ситуации в городе. При этом изучается состав атмосферных выпадений (дождя, снега, аэрозолей), составляются модели полей распределения загрязняющих веществ, их эмиссии в атмосферу от техногенных источников.
Изучение водооборота города как экологического фактора его функционирования основывается на оценке ресурсов и качества питьевых и хозяйственных вод, а также полноты очистки и сброса сточных вод. При этом используются токсикологические, санитарно-гигиенические и гидрохимические исследования.
Эколого-геохимический подход предполагает изучение миграции и концентрации химических элементов в компонентах городской среды, а также оценку имиссии (накопления) загрязняющих веществ. При этом анализируются преимущественно депонирующие (сохраняющие) среды (снег, почвы, донные отложения водоемов и водотоков, растения, ткани и органы животных и человека), химический состав которых достаточно точно дает возможность оценить накопление элементов на протяжении определенного отрезка времени и, соответственно, геохимическую трансформацию городской среды. Такое направление исследований относят к экогеохимии городов.
Наиболее ценны комплексные эколого-геохимические исследования городов, которые включают выявление источников и путей поступления загрязняющих веществ в окружающую среду, направления потоков и способов миграции химических элементов в городской среде; определение масштабов распространения геохимических аномалий; экологическую оценку выявленных аномалий; анализ накопления загрязняющих веществ в трофических цепях и изучение последствий такого накопления [95,96].
Возникновение и развитие экогеохимии городов в значительной степени базировалось на фундаментальных положениях геохимии окружающей среды и использовании богатого методического арсенала поисковой геохимии. Это связано с тем, что в зонах влияния промышленных предприятий и других городских техногенных источников, как и в регионах влияния рудных месторождений, в компонентах среды (почвах, растениях) формируются ореолы повышенных концентраций химических элементов.
Первые эколого-геохимические исследования городов были проведены в 1970-1980-х годах в Институте минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов (ИМГРЭ) Министерства геологии СССР под руководством Ю.Е. Саета. Значительный вклад в разработку методических подходов геохимического анализа города внесли ученые географического факультета МГУ, Института географии Сибири и Дальнего Востока СО РАН, Института геохимии и геофизики и Института природопользования НАН Беларуси и другие. К настоящему времени выполнены эколого-геохимические обследования многих городов России, Беларуси, Украины, Литвы, Молдовы, Казахстана и других стран [94, 97, 98, 99].
В 1990-е годы для геохимического анализа городов широко стали применяться компьютерные технологии и, позднее, ГИС-проектирование. Так, в ИМГРЭ разработана компьютерная технология эколого-геохимического картографирования крупного города, получившая название ЭКОСКАН [100]. Ряд Интернет-ресурсов содержат ГИС-проекты с данными о состоянии среды различных городов.
В последние годы состояние городской среды все чаще исследуется с применением ландшафтно-геохимических подходов. Учет при этом ландшафтной структуры городов, разработка геохимической классификации городских ландшафтов дали возможность говорить о становлении научного направления геохимии городских ландшафтов, которое сочетает системную методологию геохимии ландшафтов с индикационно-оценочными подходами геохимии окружающей среды.
В геохимии городских ландшафтов, как и в геохимии природных ландшафтов, используются три основных подхода [41]. Согласно первому, в городских ландшафтах изучаются процессы миграции химических элементов. Второй подход – системный, в соответствии с которым проводится классификация городских ландшафтов, анализ миграции элементов под влиянием техногенных факторов, выявляются пространственно-временные закономерности накопления химических веществ в элементарных ландшафтах различного типа. Третий подход предполагает изучение поведения отдельных химических элементов в природно-техногенных системах и их роли в загрязнении городской среды.
Для понимания проблем, возникающих в процессе преобразования человеком биосферы (особенно в городах), важнейшее значение имеют следующие положения, обозначенные В. И. Вернадским и А. Е. Ферсманом и получившие развитие в трудах их последователей (по Е. П. Янину, 2004).
1. Изменение химического состава и геохимической структуры биосферы под влиянием деятельности человека – это естественный (геологический) процесс, который имеет глобальный характер.
2. На современном этапе человечество вовлекает в миграционные потоки все элементы, а в круг своего влияния все химические процессы, известные в биосфере, поддерживает на земной поверхности существование элементов в форме неустойчивых соединений, вмешивается в действие основных биогеохимических принципов (зональности и др.).
3. Техногенные процессы способны резко менять поведение химических элементов, вплоть до появления химических реакций, соединений и явлений, чуждых условиям биосферы.
4. Техника и технология уже не могут рассматриваться только как инструмент преобразования биосферы, поскольку сами становятся окружающей средой, воздействующей на человека.
5. Цивилизация культурного человечества не может прерваться, поскольку, по В. И. Вернадскому, это «большое природное явление, отвечающее геологически сложившейся организованности биосферы». Важнейшим условием этого является переход биосферы в ее новое эволюционное состояние – ноосферу, когда биогеохимические функции человечества будут урегулированы с окружающей средой.
Методы геохимических (прежде всего эколого-геохимических) исследований городских ландшафтов к настоящему времени разработаны довольно детально [94, 97]. В общем виде технология проводимых работ выглядит следующим образом: 1) изучение содержания и форм нахождения химических элементов в техногенных источниках, путей их поступления в окружающую среду; 2) прослеживание способов и механизмов миграции элементов и их соединений в окружающей среде, установление природных компонентов, взаимодействующих с миграционным потоком, исследование интенсивности и результатов этого взаимодействия; 3) выявление масштабов распространения техногенных геохимических аномалий, изучение их качественного состава, установление количественных параметров, морфоструктурных особенностей, а также центров наиболее интенсивного воздействия, отличающихся максимальными нагрузками токсичных элементов и их соединений и определяющих группы живых организмов с повышенным риском проявления отрицательных реакций; 4) экологическая или инженерно-геологическая оценка аномальных зон и связанных с ними геохимических явлений и техногенных образований; 5) обоснование мероприятий по снижению, ликвидации и предотвращению негативного воздействия человеческой деятельности на окружающую среду [101].
Эколого-геохимическая обстановка в городах во многом зависит от соотношения влияния природных и техногенных факторов и особенностей трансформации природной среды. Поэтому геохимические оценки экологического состояния городов и городских ландшафтов должны основываться на анализе природно обусловленной обстановки, определяющей условия миграции веществ на территории города, устойчивости городских ландшафтов и их потенциала самоочищения, а также возможности накопления токсикантов на ландшафтно-геохимических барьерах [94].
Перспективным является также изучение биоиндикационных признаков ландшафтно-геохимической трансформации городской среды и ее компонентов под воздействием техногенных факторов, определяющих поведение мигрантов и формирование ими геохимических аномалий [102, 103].
Методические подходы к комплексному эколого-геохимическому изучению городских ландшафтов рассматриваются в монографии В. С. Хомича с соавторами «Экогеохимия городских ландшафтов Беларуси». В ней обобщены результаты многолетних эколого-геохимических исследований городов Беларуси. Описаны свойства приоритетных загрязнителей городской среды, основные источники воздействия на городские ландшафты, методология исследований. Показаны особенности трансформации природных компонентов городской среды, пространственная структура геохимических аномалий. Предложены подходы к классификации ландшафтов городов, группировке городских ландшафтов по их устойчивости к химическому загрязнению, комплексной оценке состояния городской среды, оценке экологического риска. Приведена серия эколого-геохимических и ландшафтных карт городов.