Почвенно-экологическая оценка урбоэкосистем западной части Центрально-Черноземного региона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Неведров Николай Петрович

• Неведров Николай Петрович
• доктор наук
• 2025

Оглавление диссертации доктор наук Неведров Николай Петрович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Экологические функции и экосистемные сервисы загрязненных тяжелыми металлами городских почв (обзор

1

литературы)

1.1. Почвы городов и их экологическая роль

1.2. Особенности детектирования и классификации городских почв

1.3. Загрязнение почв урбоэкосистем тяжелыми металлами, особенности поведения и пространственного размещения тяжелых

25

металлов в урбопочвах

1.4. Загрязнение почв урбоэкосистем на территории Российской Федерации тяжелыми металлами

1.5. Загрязнение тяжелыми металлами городских почв в зарубежных странах

1.6. Экологическая оценка, нормирование и управление качеством почв урбоэкосистем, подверженных воздействию тяжелых

48

металлов

1.7. Тяжелые металлы в биомассе живых организмов: накопление и воздействие

1.8. Восстановление экосистемных сервисов и ремедиация загрязненных тяжелыми металлами городских почв

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1. Эколого-географический потенциал Курской и Белгородской областей

2.2. Эколого-географическое описание исследуемых городов западной части Центрально-Черноземного региона

2.3. Общая схема организации и проведения исследования. Обоснование выбора и описание ключевых объектов исследования

2.4. Методология и методы исследования

Глава 3. Почвенно-экологическая оценка доминирующих

склоновых катен в условиях городов западной части Центрально-Черноземного региона

3.1. Базовые свойства почв урбоэкосистем в склоновых катенах города Курска

3.2. Базовые свойства почв урбоэкосистем в склоновых катенах города Льгова

3.3. Базовые свойства почв урбоэкосистем в склоновых катенах города Железногорска

3.4. Базовые свойства почв урбоэкосистем в склоновых катенах

города Губкина

Глава 4. Загрязненение тяжелыми металлами почв урбоэкосистем западной части Центрально-Черноземного региона

4.1. Основные виды деградации почв урбоэкосистем города Курска

4.2. Содержание тяжелых металлов в поверхностных горизонтах почв города Курска

4.3. Оценка суммарного загрязнения почв урбоэкосистем тяжелыми металлами и анализ пространственного распределения тяжелых

143

металлов в почвах склоновых катен

4.3.1. Латеральное и вертикальное распределение тяжелых металлов в почвах урбоэкосистем в условиях доминирующих склоновых катен Курска

4.3.2. Латеральное и вертикальное распределение тяжелых металлов в почвах урбоэкосистем в условиях доминирующих склоновых катен Льгова

4.3.3. Латеральное и вертикальное распределение тяжелых металлов в почвах урбоэкосистем в условиях доминирующих склоновых катен Железногорска

4.3.4. Латеральное и вертикальное распределение тяжелых металлов в почвах урбоэкосистем в условиях доминирующих

1

склоновых катен Губкина

Глава 5. Оценка потенциальной экологической устойчивости почв урбоэкосистем при их загрязнении тяжелыми металлами в

179

условиях западной части Центрально-Черноземного региона

5.1. Ресурсный подход к оценке загрязненности почв тяжелыми металлами и изучению емкости почвенных геохимических барьеров

5.2. Количественная оценка состояния внутрипочвенных геохимических мезобарьеров в условиях урбоэкосистем

5.3. Динамика вертикальной миграции тяжелых металлов в почвах урбоэкосистем

5.3.1. Модельные опыты в исследовании темпов вертикальной миграции и распределения тяжелых металлов

5.3.2. Профильное распределение и миграция тяжелых металлов в почвах урбоэкосистем Курской агломерации

5.3.3. Адсорбция свинца различными по генезису почвами урбоэкосистем Курска

5.4. Базовые свойства почв и подвижность тяжелых металлов

Глава 6. Трансформация почвенной микробиоты и аккумуляции тяжелых металлов в биомассе растений и грибов в условиях урбоэкосистем западной части Центрально-Черноземного региона

6.1. Содержание тяжелых металлов в фоновых видах растений городов западной части Центрально-Черноземного региона

6.2. Факторы аккумуляции тяжелых металлов в надземной фитомассе фоновых видов растений городов западной части ЦентральноЧерноземного региона

6.3. Накопление тяжелых металлов в тканях и органах Populus pyramidalis в урбоэкосистемах различных функциональных

зон

6.4. Накопление тяжелых металлов макромицетами в условиях урбоэкосистем западной части Центрально-Черноземного региона

6.5. Биологическая активность почв доминирующих урбоэкосистем г. Курска

Глава 7. Подходы к нормированию, оптимизации и управлению качеством почв урбоэкосистем западной части Центрально-

902

Черноземного региона

7.1. Комплексная оценка экологической комфортности почв и их устойчивости к воздействию тяжелых металлов

7.2. Фиторемедиационные технологии очистки загрязненных тяжелыми металлами почв урбоэкосистем

7.3. Способы снижения токсичности загрязненных тяжелыми металлами почв урбоэкосистем с применением природных сорбентов

7.3.1. Оценка эффективности композитного сорбента на основе извести и сапропеля в условиях загрязнения урбоэкосистем

297

Курской агломерации

7.3.2. Оценка эффективности сорбента на основе глины келловея в условиях загрязнения почв газонных экосистем Курска

7.3.3. Моделирование устойчивых почвенных конструкций в условиях урбоэкосистем для повышения их экологической

491

безопасности

7.4. Повышение эффективности механизмов управления качеством экосистемных сервисов городских почв

7.5. Регионально адаптированный алгоритм управления экосистемными сервисами загрязненных тяжелыми металлами городских почв западной части Центрально-Черноземного региона

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Почвенно-экологическая оценка урбоэкосистем западной части Центрально-Черноземного региона»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Загрязнение урбоэкосистем тяжелыми металлами (ТМ) имеет особую актуальность в силу того, что ТМ являются одними из приоритетных загрязняющих элементов, имеющих длительный период полувыведения и оказывающих негативное воздействие на функционирование урбоэкосистем и здоровье человека (Перельман, 1999; Добровольский, 2007; Никифорова, Кошелева, 2007; Асылбаев, 2015; Васенев и др., 2015; Мосина, 2017; Горбов, Безуглова, 2020; Колесников и др. 2021; Asylbaev et al., 2021). Исследователи отмечают тенденцию к неуклонному росту массовых концентраций ТМ в почвах и других компонентах урбоэкосистем (Дабахов и др., 2014; Неведров, 2018б; 2018в; Lu, 2003; Luo, 2018, Nevedrov et а1., 2018; 2019; 2020б). Кинетика загрязнения почв ТМ во многом зависит от сочетаний почвенных свойств, которые могут достигать максимальной пестроты в условиях повышенной дифференциации городского землепользования (Савич и др., 2022).

На современном этапе экологическая оценка загрязненности почв ТМ основывается на сопоставлении актуального содержания ТМ в поверхностном корнеобитаемом слое почвы с установленными санитарно-гигиеническими нормативами ПДК и ОДК (Водяницкий, 2012; Kabata-Pendias, 2011; Асылбаев, Хабиров, 2015). Вместе с тем имеются разработки, которые при масштабном апробировании можно будет внедрять в экологическую практику (Смагин и др., 2008; Корчагина и др., 2013; Водяницкий, Минкина, 2021). Высокая пространственная неоднородность почвенного покрова в урбоэкосистемах требует более детального подхода, учитывающего оценку функционального состояния всех компонентов экосистем и базирующегося на отношении уровня техногенного воздействия на почвы и биоту к их экологической устойчивости (Габбасова, Афзалов, 2006; Макаров, 2016; Водяницкий, 2017; Неведров, 2019; Пинский и др., 2022). Требуют дальнейшего решения вопросы, связанные с организацией почвенного экологического мониторинга на территории городов ЦЧР в частности и РФ в целом (Касимов, 2014).

Почвы урбоэкосистем выполняют ряд важнейших экологических функций и являются фундаментом экологического каркаса городских территорий (Герасимова и др., 2003; Смагин и др., 2008; Трифонова и др., 2020; Хасанова и др., 2019). Они резко отличаются от своих фоновых аналогов (Петрова, Абакумов, 2019; Rossiter, 2007). Мощный антропогенный пресс лимитирует экосистемные сервисы и функции городских почв (Соколов и др., 2008, Яшин и др., 2015; Мазиров М.А., 2020) и ведет к их деградации (Строганова и др., 1997). Сохранение и повышение качества экосистемных сервисов почв - важный инструмент в системе формирования экологически комфортной окружающей среды и снижения социальных рисков (Цветнов и др., 2016; Зубкова и др., 2022).

Регионы западной части Центрального Черноземья (далее ЦЧР) (Курская и Белгородская области) имеют высокую степень урбанизации, где доля городского населения превышает 67 %. Города Курск, Железногорск, Губкин относятся к городам с развитым промышленным комплексом (машиностроение, добывающая промышленность, производство электрооборудования, химическое производство, производство резиновых и пластмассовых изделий и др.) и интенсивной транспортной сетью, что обусловливают повышенную эмиссию ТМ (в составе техногенных выбросов) в окружающую среду и их последующее накопление в компонентах урбоэкосистем и трофических сетях (Прусаченко, 2011; Дубовик, Сердюков, 2014; Nevedrov et al., 2018; 2019). Наличие в регионе крупнейших железорудных карьеров (Курская магнитная аномалия) и их открытая разработка, а также относительная географическая близость Донецкого угольного бассейна создает повышенные экологические риски для урбоэкосистем региона и человека (Глазовская, 1988).

Проблемы очистки почв и обезвреживания поллютантов в условиях стремительной динамики свойств почв урбоэкосистем требуют быстрых и эффективных решений (Габбасова и др., 2013; Переломов, 2019; 2021). Поэтому разработка научных и технологических решений по оптимизации экологических функций почв урбоэкосистем, управлению их экосистемными сервисами и

достижению за счет этого экологической безопасности в настоящее время весьма актуальна.

Степень разработанности темы исследования. Проблемы загрязнения городских почв тяжелыми металлами рассмотрены в многочисленных работах отечественных и зарубежных ученых (Вернадский, 1965; Ладонин, 2002; Герасимова и др., 2003, Соколов и др., 2008; Минкина и др., 2009; Дабахов, Чеснокова, 2010; Безуглова и др., 2012; Мосина и др., 2012, 2017; Ларионов, 2013; Яшин и др., 2014, Асылбаев, 2015; Асылбаев, Хабиров, 2015; Олькова, Березин, Ашихмина, 2016; Еремин и др., 2016; Хасанова и др., 2017; Неведров и др., 2017б; 2018б; 2019б; Wilcke et al., 1998; Möller et al., 2005; Tang Jiang et al., 2005; Schulin et al., 2007; Shi Kun et al., 2009; Andersson, 2010; Banaszek et al., 2014; Ling, Lei, 2018; Yudiantoro et al., 2018). Исследователями предложены различные методы оценки качества и степени деградации почв, которые масштабно применяются при проведении почвенно-экологических экспертиз (Добровольский, 1996; Строганова, 1988; Смагин, 2008; Яковлев и др., 2010; Водяницкий, 2010, 2011, 2013; Касимов и др., 2012; Безносиков, Лодыгин, 2004; Неведров, 2018а; Crommentuijn et al., 1997). В настоящее время разработаны технологии восстановления экосистемных сервисов городских почв, в число которых входят способы биологической и химической ремедиации загрязненных тяжелыми металлами почв (Патент РФ № 2050334, 1995; Патент РФ № 2080668, 1997; Криушин 2002; Галиулин, Галиулина, 2003; Постников, 2009; Ступин, 2009; Патент RU № 2365078, 2009; Автухович, 2010; Минкина и др., 2011; Патент РФ 2492944, 2013; Копцик Г.Н., 2014; Неведров, Проценко 2016; Чердакова и др., 2016; Неведров и др., 2017а; 2017в; Патент РФ № 2655215, 2018; Baker et al., 1994; Cunningham, 1996; Banuelos et al., 1997; Alcantara et al., 2000; Ernst, 2000; Shen G.S. et al., 2002; Assuncao et al., 2003; Kos B., Lestan D., 2003; Tsao, 2003; Saraswat, Rai, 2009; Патент KZ № 25902, 2009; Tangahu et al., 2011; Sumiahadi, Acar, 2018; He et al., 2019; Liu G., 2019).

Цель работы - проведение комплексной экологической оценки почвенно-растительного покрова урбоэкосистем в условиях западной части Центрально-

Черноземного региона для разработки стратегии рационального управления экосистемными сервисами почв и повышения их экологической устойчивости к загрязнению тяжелыми металлами. Задачи исследования:

1. Систематизировать значимые виды деградации почв урбоэкосистем на основе их инвентаризации и экологической оценки с применением индекса суммарного загрязнения и ресурсного подхода в условиях городов Курска, Железногорска, Губкина, Льгова.

2. Выявить регионально-типологические закономерности варьирования базовых свойств почв, изменчивости подвижности тяжелых металлов в почвенных растворах и динамичности миграционных потоков тяжелых металлов в доминирующих урбоэкосистемах ЦЧР.

3. Определить количественные значения экологической емкости и контрастности почвенных геохимических барьеров в ключевых урбоэкосистемах западной части ЦЧР.

4. Оценить степень антропогенной трансформации биологической активности загрязненных тяжелыми металлами почв урбоэкосистем в условиях западной части ЦЧР.

5. Исследовать влияние основных экологических факторов на биологическое поглощение тяжелых металлов растениями и грибами.

6. Разработать и верифицировать регионально адаптированный подход к комплексной экологической оценке и управлению экосистемными сервисами загрязненных тяжелыми металлами почв урбоэкосистем в условиях западной части ЦЧР, включающий селективные технологии биологической и химической ремедиации.

Научная новизна. На основе мониторинговых исследований, проведенных в период с 2014 по 2024 годы в условиях представительных для западной части ЦЧР урбоэкосистем с использованием комплексного экосистемного подхода, выявлены и систематизированы наиболее экологически значимые виды деградации почв. Установлено, что загрязнение почв доминирующих склоновых

катен городов Курска, Льгова, Железногорска и Губкина Pb, Cd и Zn создают повышенные экологические риски для устойчивого развития урбоэкосистем. Выявлены регионально-типологические особенности распределения и поведения ТМ в условиях повышенной пространственной неоднородности и вариабельности урбоэкосистем западной части ЦЧР, состоящие: в повышенной дифференциации типов вертикального распределения, в разобщенности вертикального распределения валовых и подвижных форм, в умеренной латеральной миграции, в повышенной вариабельности подвижности ТМ в загрязненных и незагрязненных почвах, в преимущественно интенсивном накоплении в биомассе доминирующих видов растений и грибов. На основе применения ресурсного подхода для оценки уровня загрязнения почв ТМ впервые продемонстрирована необходимость разработки регионального норматива запасов ТМ в метровой толще почв и показано, что запасы Pb и Сd в почвах урбоэкосистем ЦЧР могут превышать такой норматив в 3,7-19,3 раза. Разработанный новый эколого-геохимический показатель количественной оценки емкости гумусового геохимического мезобарьера позволил оценить и ранжировать почвенные разности по потенциалу накопления ТМ. Применение разработанного индекса экологической комфортности почв в условиях западной части ЦЧР показало, что 17,4 % исследуемых почв имеют высокие экологические риски.

Разработаны и испытаны композитные сорбенты ТМ на основе природных материалов, а также технологии селективной фиторемедиации загрязненных почв урбоэкосистем в условиях ЦЧР. Выявлено, что экспресс-оценку эффективности сорбентов ТМ в загрязненных почвах можно проводить по изменению их электрокинетических свойств с точность метода от 1,4 мг/кг адсорбированных ионов ТМ.

Детализированная экологическая оценка почв урбоэкосистем западной части ЦЧР позволила получить количественную характеристику протекторной функции для 4 типов почв.

Теоретическое значение. Систематизация экологического состояния и свойств почвенно-растительного покрова с установленными закономерностями их

регионально дифференцированного проявления в условиях урбоэкосистем западной части ЦЧР раскрывает особенности динамики процессов миграции ТМ в системе «почва - растение» и аккумуляции ТМ в почвах, растениях и грибах при контрастном загрязнения почв. Экологическая оценка почвенных геохимических барьеров позволила уточнить особенности их изменчивости в урбоэкосистемах западной части ЦЧР, состоящие: в вариабельности локализации кислотно-щелочного барьера в почвенном профиле, в значительном снижении контрастности щелочного барьера (до 0,0018 м-1) в антропогенно преобразованных почвах урбоэкосистем, в повышении емкости гумусового барьера в ряду - эмбриоземы гумусовые > дерново-подзолы песчаные > урбаноземы > аллювиально-пойменные, темно-серые/серые, урбочерноземы, урбосерые > черноземы. Полученные данные о скорости эмиссии СО2 с поверхности почв урбоэкосистем позволили уточнить вклад загрязненных ТМ почв в изменение скорости потоков парниковых газов, выраженный в повышении значений показателя эмиссии СО2 (до 16,4 %) при загрязнении ТМ черноземных почв и снижении (до 47 %) - при загрязнении ТМ серых почв.

Практическая значимость. На основе комплексного экосистемного подхода разработан и верифицирован регионально адаптированный алгоритм экологической оценки и управления экосистемными сервисами почв урбоэкосистем в условиях западной части ЦЧР, учитывающий экологические особенности функционирования почв во взаимосвязи с функциями сопредельных компонентов и позволяющий снизить экологические риски (Патент РФ № 2740759; Патент РФ № 2692263). Алгоритм можно использовать для уточнения региональных и локальных программ экологического мониторинга почв урбоэкосистем городов Курска, Железногорска, Льгова и Губкина, а также для планирования градостроительства, оценки недвижимости (земель) и разработки природоохранных мероприятий. Полученные результаты позволяют рационально использовать механизмы закрепления ТМ в почве для проектирования способов ремедиации загрязненных почв и формирования экологически устойчивых конструктоземов в условиях различных функциональных зон городов западной

части ЦЧР (Патент РФ № 2655215; Патент РФ № 2642868; Патент РФ № 2583696; Патент РФ № 2738129; Патент РФ № 2803545). Также полученные результаты отражают особенности пространственно-временной изменчивости почвенной эмиссии СО2 и будут полезны для экологического обоснования изменений баланса углерода в контрастных по степени антропогенной нагрузки урбоэкосистемах городов западной части ЦЧР и для корректировки программ по достижению углеродной нейтральности (Патент РФ № 2811543).

Методология и методы исследования. Представленные в диссертационной работе исследования выполнены с применением комплексного экосистемного подхода к экологической оценке почвенно-растительного покрова урбоэкосистем и его экологических функций. Данный подход сфокусирован на системной оценке влияния ведущих экологических факторов (рельеф, тип почвы, степень и характер антропогенной трансформации почвенного покрова, характер источника загрязнения и удаление от него, принадлежность к функциональной зоне, тип растительного сообщества) на депонирование, транслокацию и миграцию ТМ в урбоэкосистемах. На основании используемого подхода удалось прогнозировать биогеохимические изменения в почвенно-растительном покрове урбоэкосистем, а также определить степень влияния таких изменений на процессы функционирования компонентов урбоэкосистем городских агломераций западной части ЧЦР. Подход к рациональному управлению экосистемными сервисами загрязненных ТМ почв позволил определить уровень экологической безопасности и комфортности городских территорий для проживания человека и ведения им хозяйственной деятельности и разработать эффективные модели оптимизации свойств почв урбоэкосистем городов западной части ЦЧР. В качестве контроля подобраны катены в городской среде, испытывающие минимальный уровень нагрузки.

При выполнении диссретационной работы использовались общенаучные (сравнительный анализ, количественно-статистический анализ, синтез, эксперимент, математическое моделирование, обобщение, статистические) и специальные (метод учетных площадок, профильный, катенарный,

лизиметрический, картографический) методы исследований. Статистическая обработка экспериментальных данных (дисперсиоонный, регрессионный, корреляционный, кластерный анализ) выполнялись с применением программного обеспечения STATGRAPHICS Plus for Windows 2.1 и пакета анализа прикладных программ Microsoft Office 2010 (Microsoft Exel, Microsoft Word).

Соответствие паспорту научной специальности. Научные положения диссертации соответствуют паспорту научной специальности 1.5.19 Почвоведение: п. 6. Теоретические и научно-методические вопросы химии почв. Изучение взаимодействия органических и минеральных компонентов почв. Техногенное и агрогенное химическое загрязнение почв, изменение их естественной кислотности, химического состава и физико -химических свойств. п. 9. Теоретические и научно-методические вопросы экологического почвоведения. Функции почв в биосфере и жизни человека, в обеспечении экологической безопасности. Экосистемные сервисы, связанные с почвами. Основные положения, выносимые на защиту

1. К основным экологическим рискам устойчивого развития урбоэкосистем в условиях западной части ЦЧР относится качественное снижение экосистемных сервисов (обеспечивающих, поддерживающих, регулирующих, культурных) почв, загрязненных Pb, Cd и Zn.

2. Локальные и региональные программы экологического мониторинга почвенно-растительного покрова урбоэкосистем должны включать верифицированные регионально адаптированные шкалы для комплексной оценки почв, почвенной биоты, напочвенного покрова и их функциональной устойчивости к загрязнению тяжелыми металлами.

3. В условиях доминирующих вариантов урбоэкосистем западной части ЦЧР наиболее эффективными элементами системы управления экосистемными сервисами загрязненных ТМ почв являются: экологический мониторинг и комплексная оценка, анализ экологических рисков, контроль протекторной и регулирующей функций, прогнозирование функциональной устойчивости, селективная ремедиация и оптимизация базовых свойств.

Обоснованность и достоверность научных результатов обеспечена большим объемом собранных данных, использованием стандартизированных методов их сбора, обработки, анализа и интерпретации, а также камеральной обработкой и исследованием в аккредитованных лабораториях. Результаты запатентованы и внедрены в теорию и практику, о чем имеются акты. Статистическая обработка данных проводилась общепринятыми методами.

Апробация работы. Основные положения и результаты научных исследований по теме диссертационной работы ежегодно докладывались научному сообществу и обсуждались на Всероссийских и Международных конференциях, съездах и конгрессах: Международной научно-практической конференции и V Съезде почвоведов и агрохимиков (Беларусь, Минск, 2015), 7th Congress of the European Society for Soil Conservation «Agroecological assessment optimization of soils and terrestrial ecosystems» (Москва, 2015), Международных научно-практических конференциях Курского отделения МОО «Общество почвоведов имени В.В. Докучаева» «Агроэкологические проблемы почвоведения и земледелия» (Курск, 2017-2022), Международных научных конференциях «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и на сопредельных территориях» (Белгород, 2017, 2019), International Conference on Sustainable Cities (Москва, 2018), International Conference on Sustainability and Climate Change (Москва, 2019, 2020), Международной научно -практической конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Москва, 2019, 2022), III Международной научно-практической конференции «Зеленая инфраструктура городской среды: современное состояние и перспективы развития» (Воронеж, 2019), International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies «FarEastCon» (Владивосток, 2019), Международной научной экологической конференции «Проблемы трансформации естественных ландшафтов в результате антропогенной деятельности и пути их решения» (Краснодар, 2021), Международной научно-практической конференции «Системы контроля окружающей среды - 2021» (Севастополь), VIII Съезде Общества

почвоведов им. В.В. Докучаева «Почвы - стратегический ресурс России» (Сыктывкар, 2020-2022), I Конгрессе молодых ученых (Сочи, 2021, 2023).

Личный вклад автора в решение проблемы заключался в выявлении фундаментальных и прикладных научных проблем оценки, нормирования и управления качеством загрязненных ТМ почв урбоэкосистем, в последующем выборе и теоретическом обосновании направлений и тематики исследований, предложении и апробации принципиально новых подходов к экологической оценке почв урбоэкосистем, планировании и выполнении основного объема полевых и экспериментальных исследований, обсуждении, интерпретации, обобщении и апробации полученных данных, подготовке публикаций по выполненной работе.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 115 работ, из них 11 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК (по специальности 1.5.19 Почвоведение), 15 статей, индексируемых в международных базах научного цитирования - Web of Science и Scopus (из них 7 одновременно входят в перечень ВАК РФ), 2 монографии, 8 патентов, 19 статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК (по смежным специальностям), 62 статьи в материалах конференций и других изданиях, тезисов, 5 учебно-методических пособий.

Структура диссертационной работы. Работа изложена на 382 страницах основного текста и 52 страницах приложения, состоит из семи глав, содержит 49 таблиц и 119 рисунков, список литературы включает 462 наименования, из них 124 зарубежных источника.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Проценко Елене Петровне за научно-методическую помощь при выполнении работы и ценные советы и рекомендации. Автор выражает благодарность всем сотрудникам, аспирантам и студентам кафедры биологии и экологии Курского государственного университета, которые помогали в организации и проведении натурных и лабораторных исследований по теме диссертационной работы. Автор

искренне благодарен руководству ФГБОУ ВО «Курский государственный университет» за создание условий для выполнения данной работы. Также автор выражает благодарность научным фондам за оказанное доверие и поддержку. Диссертация выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых -кандидатов наук (проект - МК-4086.2018.5), при частичной поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук (проект - МК-416.2021.1.4), при поддержке гранта Фонда содействия инновациям (проект - № 8657ГУ2/2015) и частичной поддержке гранта Федерального агентства по делам молодежи (соглашение № 10-Р от 28.11.2017).

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ И ЭКОСИСТЕМНЫЕ СЕРВИСЫ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ГОРОДСКИХ

ПОЧВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Почвенный покров современных городов представляет собой многомерные сочетания техногенно преобразованных и фоновых почв, а также сугубо антропогенных почвенных конструкций. Пестрота почвенного покрова и его высокая пространственная неоднородность способствует формированию разнообразных природно-антропогенных и антропогенных экосистем, отличающихся направленностью процессов биогеохимических превращений и миграции веществ. Порядок и структура землепользования на городских территориях должны основываться на результатах комплексной экологической оценки, учитывающей сложные и многообразные структурно-функциональные связи между компонентами экосистем.

1.1. Почвы городов и их экологическая роль

Стремительные темпы трансформации природной среды, вызванные развитием индустрии, беспокоили ученых, начиная с конца XIX века. К вопросу изучения городских почв проявлял интерес еще В.В. Докучаев (Докучаев, 1936). Василий Васильевич указывал на необходимость исследования почв Санкт-Петербурга и других Российских городов. Комплексная исследовательская программа «Детальное естественно-историческое, физико-географическое и сельскохозяйственное исследование Санкт-Петербурга и его окрестностей» была разработана Докучаевым в 1890 году. В 1922 году Х. Берроуз предложил изучать взаимоотношения между людьми и территорией (Barrows, 1923). В.И. Вернадский в своей работе «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения» выделил новый вид геохимической миграции элементов в биосфере, двигателем которой является человеческий разум и труд (биогенная миграция атомов 3-го рода) (Вернадский, 1965). В работе «География и экология» В.Б. Сочава акцентирует

внимание на исключительную скорость преобразования окружающей среды в ходе деятельности человека (Сочава, 1970).

К концу XX века количество работ, посвященных изучению городских экосистем и, в частности, городским почвам заметно увеличилось (Экогеохимия городских ландшафтов ... 1995; Строганова и др., .„1997; Фролов, 1998; Vink, 1983; Soils in the ..., 1991; Craul, 1992). В них отмечается, что усиление антропогенного пресса в городе негативно сказывается на выполнении почвами экологических функций. Также отмечено, что происходят: переуплотнение корнеобитаемого горизонта почв, изменение водно-воздушного режима, нарушение и истощение органопрофиля, загрязнение экотоксикантами, сокращение биоразнообразия почвенной микробиоты, изменение кислотно -основных и окислительно-восстановительных условий, заражение патогенными микрорганизмами. Также авторы работ прогнозируют, что в дальнейшем воздействие на почвы городов будут только усиливаться, площадь почв с дневной поверхностью будет уменьшаться, а запечатанных почв - увеличиваться (Почвы и техногенные., 2012).

В начале XXI века в России продолжался рост количества научных изысканий в области исследования почв урбоэкосистем. На Всероссийском съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева, состоявшемся в 2008 году в Ростове -на-Дону проблемам городских почв был посвящен отдельный симпозиум -«Почвы урбанизированных территорий и техногенных ландшафтов и их эколого-геохимическое состояние» (Безуглова и др., 2012).

Мнения отечественных и зарубежных исследователей однозначны в той части, что почвы, функционирующие в условиях городских территорий, являются важным фактором их экологического и санитарного состояния. Поэтому их систематическая инвентаризация, а также изучение их свойств и экологических функций крайне необходимы (Почвы и техногенные., 2012).

Касательно терминологического и понятийного аппарата, используемого различными учеными, стоит уточнить, что термин городские почвы -двусмыслен. Это, в первую очередь, связано с классическим Докучаевским

понятием - почва. Исследователи рассматривают городские почвы сквозь призмы широкого и узкого понимания этого термина, где в широком смысле - это любая почва на урбанизированной территоии, а в узком - это собственно урбопочва, являющаяся продуктом деятельности (Строганова, Агаркова, 1992). В руководстве НИиПИ экологии города приведено определение типичной городской почвы: «Урбанозем - искусственно образованная в процессе формирования городской среды почва, являющаяся биокосной многофазной системой, состоящей из твердой, жидкой и газовой фаз с непременным участием живой фазы, функционирующая под воздействием тех же факторов почвообразования, что и естественные почвы, но с добавлением специфического в городской среде антропогенного фактора» (Оценка почв и грунтов..., 2001).

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Неведров Николай Петрович, 2025 год

(в 1.

VI VIII X

Участок №1 (0,6)

Месяц

№ участка (количество внесенного сорбента, кг/м2)

Участок №2 (1,2)

ЯРЬ В.Ф. ШРЬ П.Ф.

Рисунок 105. Сезонная динамика изменений соотношения валовых и подвижных форм свинца в техногенно загрязненных урбаноземах собственно города Курска при действии различных доз сорбента.

*У месяц - исходные параметры до внесения сорбента (Неведров и др., 2019е; Неведров, 2024б) Для валового содержания РЬ и 7п была характерна сезонная динамика, обусловленная вновь поступающими дозами ТМ в составе урбоседиментов, процессами аккумуляции элементов растениями и процессами вертикальной внутрипрофильной миграции (рис. 105 - 106) (Неведров и др., 2019е).

© м

350

250

в © § 150

50

§ В о

а

и п о

и

а =

N

-50

1

У

I

VI

I

VIII

X

Участок №1 (0,6) Месяц

У

VI

VIII

X

Участок №2 (1,2)

№ участка (количество внесенного сорбента, кг/м2) н 2п В.Ф. ■ 2п П.Ф.

Рисунок 106. Сезонная динамика изменений соотношений валовых и подвижных форм цинка в техногенно загрязненных урбаноземах собственно города Курска при действии различных доз сорбента.

^ месяц - исходные параметры до внесения сорбента (Неведров и др., 2019е)

Подвижные формы РЬ и 7п в разрезе сезонной динамики характеризовались трендом, направленным на снижение их содержания в почве (рис. 105 - 106). На первом участке с дозой сорбента 0,6 кг/м2 в конце опыта отмечалось снижение подвижных форм РЬ на 21,9% относительно начала опыта. Доза сорбента 1,2 кг/м позволила снизить мобильность свинца к октябрю на 20,5% (рис. 105) (Неведров и др., 2019е; Неведров, 2024б).

Действие сорбента по отношению к цинку имело следующую зависимость -доза 0,6 кг/м к концу опыта позволила снизить мобильность элемента на 15,0% от показателей мобильность в мае, доза сорбента 1,2 кг/м2 уменьшала долю подвижных форм элемента на 30,2%, относительно значений этого показателя в начале опыта (май) (Неведров и др., 2019е).

Таким образом обработка загрязненных свинцом и цинком урбаноземов (1,5 - 3,0 ПДК по валовому содержанию) сорбентом на основе извести и сапропеля (смесь 1:1) в дозах 0,6 и 1,2 кг/м позволяло снижать содержание подвижных форм свинца до 21,9% и цинка - до 30,2%. В загрязненных агросерых почвах доза 70 г/сосуд усиливала не только эффект иммобилизации подвижных форм свинца на 5,6%, но и способствовал прочному закреплению элемента в пахотном горизонте (РИ). Отмеченный эффект достигался за счет расширения адсорбционного потенциала ППК (подщелачивание почвенного раствора на 0,30,5 единицы рН приводило к усилению сорбции на магнитной фазе) и появления новых реакционных центров в составе сапропеля (Неведров и др., 2019е).

7.3.2. Оценка эффективности сорбента на основе глины келловея в условиях загрязнения почв газонных экосистем г. Курска

Глина келловея - вскрышная порода морского происхождения Михайловского железорудного бассейна КМА, содержащаю в своем составе обменный калий, богатый набор микроэлементов, органическое вещество и имеющая слабощелочную (или близкую к нейтральной) реакцию среды (№уеёгоу ^ а1., 2022а).

При исследовании химического состава глины келловея отмечен широкий спектр биогенных макро- и микроэлементов. В его составе не установлено присутствие высокоопасных элементов - кадмия, олова и мышьяка, а индекс токсичности оцениваемого фактора составляет 0,91, что соответствует V классу токсичности (табл. 42). Среднее содержание Fe2Oз в глине келловея составляет 4,57 %, что в 1,2 раза превышает аналогичные показатели в лессовидных суглинках, К20 - в 1,5 раза, А1203 - в 1,6 раз, МпО - в 2,35 раз. При этом содержание SiO2 в глине келловея в 1,5 раза ниже, чем средние показатели в лессовидных суглинках (Самофалова, 2009; Неведров, Смицкая, 2019) (табл. 42). Таблица 42. Химические, физико-химические и экотоксикологические свойства глины келловея (Неведров, Смицкая, 2019)

рН КС1 Органическое вещество Бе общ. Бе20з А120з МпО Б102 Р2О5 К2О ИТФ *

%

6,9 4,1 4,05 4,57 17,12 1,88 50,16 1,35 3,6 0,91 - V класс токсичности (норма)

* ИТФ - индекс токсичности оцениваемого фактора

Исследовался техногенно загрязненный урбанозем на основе чернозема выщелоченного среднесуглинистого, отобранный в промышленной зоне южной части города Курска. Урбанозем (горизонт и1) имел следующие свойства: содержание гумуса - 2,6%, рНКС1 - 7,1, Р2О5 подвижн. - 103 мг/кг, К2О подвижн. -126, Кщ.г. - 49 мг/кг. Для проведения опыта использовались вегетационные сосуды 40*20x10 см , в которые помещалось по 5 кг почвы. Исследовалось 2 дозы загрязнения урбанозема свинцом: в первом случае содержание валового РЬ составляло 80,8 мг/кг (2,5 ПДК), во втором 46,5 мг/кг (1,5 ПДК). В почвы равномерно вносилась (путем перемешивания с почвой) по 30 и 45 г/сосуд глина келловея (предварительно измельченная на зерновой мельнице до тонкодисперсной пылеватой фракции), что соответствует 6 и 9 г глины келловея на 1 кг почвы. В качестве контроля использовался незагрязненный и необработанный сорбентом чернозем выщелоченный, имеющий сопоставимые химические свойства, который также был отобран в пригороде на юге Курска. Опыт проводился в трехкратной повторности. После обработки почв глиной келловея проводился высев семян газонных трав, которые затем выращивали в течение месяца. У растений учитывались изменения морфометрических показателей: длина проростков, сырая и сухая биомасса надземных органов (Смицкая, Неведров, 2021).

Площадь листьев измеряли по формуле (выборка - 30 растений в каждом контейнере):

S = 0,75 х а х Ь, (7)

где Б - площадь в см , а - длина в см, Ь - ширина в см.

Для определения количества устьиц снимался эпидермис с верхней и нижней стороны листа и приготовливались в капле воды микропрепараты.

Микропрепараты исследовались с использованием объектива ВИ*40 (водная иммерсия), определялось количество устьиц в поле зрения (на один образец не менее 5 полей зрения). Сырая биомасса взвешивалась сразу после проведения укоса на технохимических весах ВСТ-0. Сухая биомасса определялась после высушивания в сушильном шкафу при t = 105°С до постоянной массы. Зольность надземной фитомассы растений газонных трав определялась путем сжигания 0,5 г. сухой надземной фитомассы в муфельной печи при t = 250 °С (Неведров, Смицкая, 2020; Смицкая, Неведров, 2021).

Оценку микробиологической активности почв проводили с применением интегрального показателя - почвенного дыхания камерным методом с применением портативного инфракрасного газоанализатора СО2 - Л2 7752. Предварительно за неделю до замеров в каждый контейнер устанавливали пластиковое основание ПВХ труба диаметром 110 см и высотой 5 см. Параллельно проводились замеры объемной влажности почвы (влагомер МС-7828), температуры почвы (кондуктометр для почвы с функцией измерения температуры почвы Н198331), температуры воздуха внутри камеры и температуры воздуха в помещении.

Снижение токсичности свинца при внесении глины келловея в загрязненный «урбанозем собственно» подтверждалось результатами проведенных лабораторных исследований. Содержание валовых форм ТМ (РЬ, Cd, 7п) в исследуемых урбаноземах превышало ПДК только по свинцу (1,5 и 2,5 ПДК). Содержание цинка и кадмия соответствовало установленным нормам (ГН 2.1.7.2041-06) (табл. 43).

Таблица 43. Содержание ТМ в загрязненных свинцом почвах и растениях газонных трав, выращиваемых при обработке почв глиной келловея (6 г/кг почвы)

Вариант опыта Содержание ТМ в исследуемых объектах

В почве (валовое содержание) В почве (подвижные формы)

РЬ Сё 2п РЬ Сё 2п

Контроль 9,31±0,4 0,19±0,02 30,7±1,1 0,8±0,1 0,10±0,01 1,3±0,1

Контроль + глина 11,9±0,8 0,18±0,01 30,58±0,9 1,0±0,1 0,09±0,01 1,0±0,1

РЬ 1,5 ПДК 51,1±2,3 0,31±0,02 38,99±0,7 14,7±0,9 0,25±0,02 15,6±0,1

РЬ 1,5 ПДК + 46,45±1,4 0,26±0,01 37,36±1,2 2,5±1,3 0,14±0,01 4,5±0,2

глина

Pb 2,5 ПДК 80,85±1,5 0,36±0,01 36,8±1,8 15,8±0,5 0,24±0,01 4,6±0,2

Pb 2,5 ПДК + глина 83,4±1,1 0,39±0,01 37,9±1,1 13,4±0,4 0,21±0,01 6,4±0,3

Вариант опыта В надземной фитомассе растений

Pb Cd Zn

Контроль 5,1±0,3 0,10±0,01 22,2±0,7

Контроль + глина 2,1±0,2 0,09±0,02 23,8±0,9

РЬ 1,5 ПДК 25,0±1,9 0,33±0,03 23,0±1,1

РЬ 1,5 ПДК + глина 2,5±0,4 0,14±0,01 29,6±1,4

РЬ 2,5 ПДК 5,4±0,8 0,19±0,01 32,5±1,5

РЬ 2,5 ПДК + глина 4,3±0,3 0,07±0,01 29,7±2,2

Концентрации подвижных форм свинца превышали ПДК (6 мг/кг) в вариантах опыта «Pb 1,5 ПДК», «Pb 2,5 ПДК», «Pb 2,5 ПДК + глина» в 2,5, в 2,6 и в 2,2 раза соответственно. Концентрации подвижных форм кадмия и цинка не превышали установленного норматива ПДК. Стоит отметить, что применение дозы глины келловея 6 г/кг при уровне загрязнения почвы 1,5 ПДК привело к снижению концентрации подвижного свинца в урбаноземе до значений - не превышающих ПДК (с 14,7 до 2,5 мг/кг) (Смицкая, Неведров, 2021). При загрязнении урбанозема свинцом в дозе 2,5 ПДК подобного эффекта не наблюдалось.

Внесение глины келловея в загрязненные свинцом почвы значимо снижало подвижность (долю подвижных форм элемента относительно его валового содержания) свинца, кадмия и цинка практически во всех вариантах опыта, что обусловлено работой сорбционных центров в составе глины келловея. В незагрязненных почвах обработка почв глиной келловея не приводила к столь явным изменениям в распределении валовых и подвижных форм всех микроэлементов, что может объясняться буферностью антропогенно непреобразованных почв (рис. 107 - 108).

и S

№

S =

О се

1 s

■а

f.il И & u Л

и О О О К ■& Я

ч

о

ч

&

и

о S

U °

-

N ® & g

100 80 60 40 20 0

- -i-

__В5Е т-т

■Зг -г-

т

В 1 ^ Ш ж] i

Контроль Контроль + РЬ 1,5 ПДК РЬ 1,5 ПДК + РЬ 2,5 ПДК РЬ 2,5 ПДК

глина глина + глина Вариант опыта

ярь пса игп

Рисунок 107. Влияние обработки почв глиной келловея (6 г/кг) на подвижность ТМ в условиях разноуровневого загрязнения почв свинцом

Так, при дозе внесения глины келловея 6 г/кг почвы подвижность ионов РЬ снижалась в 5,4 раза в варианте опыта «РЬ 1,5 ПДК + глина» относительно необработанной глиной загрязненной почвы. Т.е. глина келловея позволяла сорбировать 82,9% подвижных форм свинца. При более сильном загрязнении «РЬ 2,5 ПДК + глина» снижение подвижности свинца также отмечалось и составляло 3,5%. Подвижность кадмия снижалась на 28,7% на низкой дозе загрязнения и на 12,8% - при высокой дозе загрязнения (2,5 ПДК). Подвижность цинка снижалась при обработке загрязненного урбанозема свинцом 1,5 ПДК на 28,1%, а в варианте опыта «РЬ 2,5 ПДК + глина», наоборот, подвижность цинка повышалась на 4,4% (рис. 107).

В целом, наиболее высокий уровень подвижности всех исследуемых ТМ в загрязненных почвах отмечался в варианте опыта «РЬ 1,5 ПДК», а минимальной мобильностью отличались эти же почвы, обработанные глиной келловея. Отметим, что при повышении уровня загрязнения почвы свинцом иммобилизующий эффект дозы 6 г/кг почвы заметно снижался.

При внесении в почву глины келловея в дозе 9 г/кг почвы отмечалась аналогичная тенденция, направленная на снижение количества подвижных форм исследуемых ТМ. В незагрязненных почвах влияние глины келловея на содержание подвижных форм исследуемых ТМ не наблюдалось (табл. 44). Таблица 44. Содержание тяжелых металлов в загрязненных свинцом почвах при обработке почв глиной келловея (9 г/кг почвы)

Вариант Содержание ТМ в исследуемой почве, мг/кг

опыта Валовое содержание ТМ Содержание ТМ подвижных форм

РЬ Сё 2п РЬ Сё 2п

Контроль 9,9±0,7 0,15±0,03 38,9±1,4 0,31±0,07 0,08±0,03 0,4±0,1

Контроль + 13,3±0,9 0,17±0,01 31,5±2,2 0,38±0,09 0,11±0,03 0,3±0,1

глина

РЬ 1,5 ПДК 51,1±2,7 0,31±0,03 38,9±2,4 14,7±0,9 0,25±0,02 15,6±0,9

РЬ 1,5 ПДК + 39,4±2,2 0,26±0,03 35,4±2,7 8,7±0,6 0,14±0,03 5,3±1,0

глина

РЬ 2,5 ПДК 109,9±11,3 0,81±0,04 39,3±1,9 37,7±1,7 0,65±0,04 14,9±1,0

РЬ 2,5 ПДК + 106,1±13,4 0,76±0,02 35,1±2,1 17,7±1,3 0,26±0,06 6,5±1,2

глина

Содержание подвижных форм свинца превышало ПДК во всех вариантах опыта с загрязненным урбаноземом от 1,45 раза до 6,28 раза. Применение глины в условиях загрязнения 1,5 ПДК приводило к уменьшению концентрации подвижных форм РЬ в 1,7 раза, в условиях загрязнения 2,5 ПДК - в 2,1 раза (Неведров, 20246). Содержание подвижных форм кадмия и цинка не превышало ПДК. При внесении глины в загрязненные свинцом почвы содержание кадмия тоже снижалось от 1,8 до 2,5 раза, а цинка - от 2,3 до 2,9 раза.

а 5

о о в

3 £

й ч Н

л 2 а

в й «

п 5 § *

В © °

- = =

ч н Р

2 ° о Я § д

" ^ I

3 а

100 80 60 40 20 0

1

I

Контроль Контроль + РЬ 1,5 ПДК РЬ 1,5 ПДК + РЬ 2,5 ПДК РЬ 2,5 ПДК + глина глина глина

ИРЬ пса □ 2и Вариант опыта

Рисунок 108. Влияние обработки почв глиной келловея (9 г/кг) на подвижность тяжелых металлов в условиях разноуровневого загрязнения почв свинцом

Доля подвижных форм свинца в условиях внесения 9 г/кг глины в загрязненную 1,5 ПДК почву снижалась на 6,7%, кадмия - на 27,2%, цинка - на 25,0% (рис. 108).

При внесении аналогичной дозы в загрязненный 2,5 ПДК урбанозем снижение доли подвижного свинца достигало значений 18,3%, кадмия - 47,0%, цинка - 28,7%. Стоит заметить, что доза 9 г/кг при повышении загрязнения от 1,5 до 2,5 ПДК усиливала свой иммобилизующий эффект (Неведров, 2024б).

Исходя из полученных результатов можно заключить, что при дозе загрязнения почв свинцом от 1 до 2 ПДК была более эффективна доза сорбента -6 г/кг почвы, при дозах загрязнения от 2 ПДК до 3,5 ПДК (в вариантах опыта «2,5 ПДК РЬ» и «2,5 ПДК РЬ + глина» содержание свинца достигало 110 мг/кг ~ 3,5 ПДК) более эффективным было применение дозы глины - 9 г/кг почвы (Неведров, Смицкая, 2019; Неведров и др., 2021в).

В отношении поступления исследуемых ТМ в надземные органы газонных трав (смесь злаковых культур) наблюдалось ограничение транслокации свинца и кадмия в условиях обработки почв глиной келловея. Коэффициент биологического накопления (КБН) цинка не зависел от обработки почвы глиной келловея (рис. 109).

глина глина глина

иРЬ □Cd ЫЪп Вариант опыта

Рисунок 109. Зависимость коэффициента биологического накопления (КБН) при обработке почв глиной келловея (6 г/кг почвы) в условиях разноуровневого загрязнения почв свинцом

Так как цинк является бигенным микроэлементом, стимулирующим рост растений (Кошкин, 2010), можно утверждать, что установленное действие удобрения-сорбента по отношению к поведению цинка в системе «почва -растение» является дополнительным преимуществом продукта по сравнению с другими аналогами (рис. 106).

Все же стоит отметить, что максимальные значения КБН газонных трав в отношении исследуемых элементов были характерными для вариантов опыта, где загрязнение почв отсутствовало - «Контроль» и «Контроль + глина». При загрязнении свинцом КБН растений по отношению к РЬ снижался в 3,7 - 18,5 раза, по отношению к кадмию - в 0,75 - 1,26 раза, по отношению к цинку - в 2,4 -11,5 раза.

Внесение глины келловея еще в большей степени лимитировало поступление свинца и кадмия в надземные органы газонных трав, значения КБН относительно вариантов опыта без применения глины снижались до 1,7 и 2,4 раза соответственно. В это же время, исследуемый ремедиационный прием (обработка

почв глиной келловея) стимулировал поступление цинка в надземные органы растений. В варианте опыта «1,5 ПДК РЬ + глина» КБН возрастал в 4,4 раза. Это можно объяснить нивелированием стрессового состояния у растений на фоне резкого снижения поступления токсичных ксенобиотиков - РЬ и Сё, в конечном итоге приводящего к стимуляции синтеза гормона ауксина, нормализацией процесса дыхания и, в целом, нормализации морфометрических показателей (Кошкин, 2010). В варианте опыта «2,5 ПДК РЬ + глина» стимуляция поступления в надземные органы растений была менее отчетливо выражена, что связано с более высокой концентрацией ионов цинка в почвенном растворе.

Поступление элементов минерального питания и ионов свинца в ткани надземных органов оценивали по косвенному показателю - зольности (доле зольных элементов в абсолютно-сухой массе надземных органов). Загрязнение почвы свинцом приводило к снижению показателя зольности на 15,4% в вариантах опыта «РЬ 1,5 ПДК» и «РЬ 2,5 ПДК» относительно незагрязненной почвы («Контроль»), что связано с нарушением физиологических и биохимических процессов, вызванных поступлением токсичных ионов в клетки растений и сбоем процессов минерального питания (рис. 110) (Смицкая, Неведров, 2021).

40

30

щ у 20

Н ^

® I 10

я 8

■а ■&

§ 0 м

Контроль Контроль + РЬ 1,5 ПДК РЬ 1,5 ПДК + РЬ 2,5 ПДК РЬ 2,5 ПДК + глина глина глина

Н Зольность 6 г/кг □ Зольность 9 г/кг Вариант опыта

Рисунок 110. Зависимость показателя зольности от загрязнения почв свинцом и обработки почв удобрением-сорбентом (в дозах 6 г/кг и 9 г/кг почвы)

Во всех вариантах опыта вне зависимости от дозы внесения глины келловея в почву наблюдалось повышение показателя зольности на 4,7% - 54,5%. Максимального значения исследуемый показатель достигал в варианте опыта «РЬ 2,5 + глина» - 28-34%. Увеличения доли зольного остатка указывает на

интенсификацию потребления и накопления растениями элементов минерального питания. Важной особенностью является то, что этот эффект наблюдался только в условиях загрязнения почв свинцом. Такой эффект необходимо учитывать при разработке мероприятий по фиторемедиации почв (Смицкая, Неведров, 2021).

Продуктивность и ростовые показатели газонных трав при обработке почв глиной келловея в условиях контрастного загрязнения почв низкими дозами свинца. Результаты исследований по влиянию удобрения-сорбента на основе глины келловея на морфометрические показатели (длину проростка) позволили установить, что при обработке почвы глиной келловея в дозе 6 г глины на 1 кг почвы, как правило, происходит стимулирование роста исследуемых газонных трав на 8,7 - 8,9%. Такой эффект отмечался в вариантах опыта «Контроль + глина» и «Pb 2,5 ПДК + глина», относительно вариантов «Контроль» и «Pb 2,5 ПДК» соответственно (рис. 108) (Неведров, Смицкая, 2020; Смицкая, Неведров, 2021).

При увеличении дозы вносимого в почву удобрения-сорбента до 9 г/кг почвы во всех без исключения вариантах опыта отмечалось значимое увеличение длины газонных трав от 4,4% до 8,4% (рис. 111) (Смицкая, Неведров, 2021).

А

Б

13

5

1 12 в

I 11

ё 10 а

6 9 с

я я я

л

н

о ^

о

Л -

н ¡3 о g

Н

о

13

5

1 12

я a и

н 11

CJ

| 10

6

с 9

я я я

Рч

Рч

<N Рч

2

X Рч

Л

н о

о

Л -

н ¡3 о g

н

о

с й С св

С § IT, с

н 1ч <N (N Н 1ч

Рч Рч Рч х> Рч

Вариант опыта

Вариант опыта

Рисунок 111. Влияние обработки почв удобрением-сорбентом (в дозах 6 г/кг почвы - А, 9 г/кг почвы - Б) и загрязнения почвы свинцом на длину проростков газонных трав (Смицкая, Неведров, 2021)

Увеличение ростовых показателей газонных трав можно объяснить как снижением токсичности свинца в почве, так и повышением доступных форм

элементов минерального питания (цинка - описано выше), в том числе внесенных в составе удобрения-сорбента (глины келловея) (Неведров, Смицкая, 2020; Смицкая, Неведров, 2021).

25

^ 20 ев

3 15

а

§ 10 и

И 5

0

20,7

15,5

15,7

15,1

17,2

11,1

1,55

1,5

1,2

1,5

1,45

1,9

Контроль Контроль + РЬ 1,5 ПДК РЬ 1,5 ПДК + РЬ 2,5 ПДК РЬ 2,5 ПДК + глина глина глина

□ Сырая биомасса 6 г\кг □ Сухая биомасса 6 г/кг Вариант опыта

Рисунок 112. Влияние обработки почв удобрением-сорбентом (в дозе 6 г/кг почвы) и загрязнения почвы свинцом на продукцию биомассы надземных органов газонных трав (Смицкая, Неведров, 2021)

Результаты анализа продукции газонными травами биомассы в условиях обработки удобрением-сорбентом загрязненных свинцом почв были несколько противоречивы, и зависели от дозы вносимого удобрения сорбента (рис. 112) (Неведров, Смицкая, 2020; Смицкая, Неведров, 2021).

Так, доза удобрения-сорбента 6 г/кг почвы в вариантах опыта с загрязнением почвы свинцом (1,5 и 2,5 ПДК) приводила к увеличению сырой биомассы газонных трав на 20,3 - 36,0% и сухой биомассы - на 25,0 - 31,0% (рис. 201) (Неведров, 2024б). При увеличении дозы вносимой глины келловея до 9 г на 1 кг почвы происходило снижение темпов продукции биомассы у растений газонных трав тносительно варианта 2,5 ПДК без глины (рис. 113) (Смицкая, Неведров, 2021).

15

$ 10

0 св

2 с

1 5 и

0

13,9

10,8

1,15 Г—1

Контроль

11,1

6,35

0,9

1,2

1

9,5

1,4

1,2

Контроль + РЬ 1,5 ПДК РЬ 1,5 ПДК + РЬ 2,5 ПДК РЬ 2,5 ПДК +

глина глина

Вариант опыта

Рисунок 113. Влияние обработки почв удобрением-сорбентом (в дозе 9 г/кг

глина

] Сырая биомасса 9 г/кг □ Сухая биомасса 9 г/кг

почвы) и загрязнения почвы свинцом на продукцию биомассы надземных органов газонных трав (Смицкая, Неведров, 2021)

Во всех вариантах опыта наблюдалось уменьшение значений показателя сырой биомассы на 22,5 - 42,1%, а показателя сухой массы - на 14,3 - 21,7%, что может быть связано с излишком количества элементов минерального питания, вносимых в почву в составе сорбента. Это можно также подтвердить стремительным ростом растений в длину при дозе глины 9 г/кг 9 (действие цинка), в результате чего возникли отклонения в отношении длины листовой пластинки газонных трав к ширине. Также значимо снизились показатели сырой (в 2,2 - 2,5 раза) и сухой (на 3,4 - 36,8%) массы в вариантах опыта с применением дозы 9 г/кг относительно вариантов опыта с обработкой почв дозой глины 6 г/кг (рис. 112-113).

При микроскопировании клеточной структуры эпидермиса листовых платинок, отметили, что загрязнение урбанозема собственно свинцом в дозах 1,5 - 2,5 ПДК значимо не влияло на количество сформированных устьичных аппаратов в эпидермисе листовых пластинок исследуемых газонных трав (рис. 114) (Смицкая, Неведров, 2021).

я м « й Я И

60

н

О! В 40

§ Я

$

- 8

о 5 Я „ ^ я £ о

ва в " £5 то

н ы а О 20 о Ц Ч а

8 3 о ^

а Й В Я к 2 § ® в 0

И Ч Контроль Контроль + РЬ 1,5 ПДК РЬ 1,5 ПДК + РЬ 2,5 ПДК РЬ 2,5 ПДК

глина глина + глина

Н Устьица при дозе 6 г/кг □ Устьица при дозе 9 г/кг Вариант опыта

Рисунок 114. Зависимость количества сформированных устьиц на листовых пластинках газонных трав от загрязнения почв свинцом и обработки почв удобрением-сорбентом (в дозах 6 г/кг и 9 г/кг почвы) (Смицкая, Неведров, 2021)

Тем временем обработка почв глиной келловея способствовала формированию большего количества устьиц на единицу площади листовой пластинки. Особенно отчетливо это проявлялось при обработке почвы удобрением сорбентом в дозе 9 г/кг почвы. В незагрязненной почве (Контроль) внесение глины келловея приводило к увеличению количества устьиц на единицу площади на 21,2%. При внесении глины келловея в загрязненную свинцом почву

дозой 1,5 ПДК количество устьиц возрастало на 22,7% по сравнению с вариантом опыта «РЬ 1,5 ПДК». В варианте опыта с загрязнением почвы свинцом дозой 2,5 ПДК после внесения глины келловея количество устьиц на единицу площади листа увеличивалось на 83,7% по сравнению с необработанной загрязненной почвой - вариант «РЬ 2,5 ПДК». Это явления связано с толерантностью исследуемых видов злаков к низкой дозе загрязнения свинцом, выраженной в ответной реакции растений - запуск механизмов повышения транспирации и газообмена (Смицкая, Неведров, 2021).

При дозе вносимого удобрения-сорбента 6 г/кг почвы количество устьиц статистически значимо не изменялось, за исключением варианта с дозой загрязнения «урбанозема собственно» 2,5 ПДК, где обработка почвы глиной келловея приводила к увеличению количества устьиц на 17,7%. Это еще раз доказывает положительное действие удобрения-сорбента, приводящее к стимулированию газообмена и транспирации в растениях газонных трав на данных стадиях онтогенеза (прорастание и рост проростка (фазы 1-го и 2-го настоящих листов) (Смицкая, Неведров, 2021).

Влияния удобрения-сорбента на формирование почвенной структуры в условиях контрастного свинцового загрязнения и генетической неоднородности почв. Влияние удобрения-сорбента на агрофизические свойства «урбанозема собственно» нами оценивалось по показателю водопрочности структурных агрегатов фракции 3-5 мм, которую определяли по методу П.И. Андрианова (Смицкая, Неведров, 2021).

При внесении 6 г/кг глины келловея в загрязненный урбанозем дозой свинца 2,5 ПДК, установили, что количество водопрочных агрегатов после обработки почвы глиной повысилось с 54,7% до 71,8% (Смицкая, Неведров, 2021).

Использование дозы глины келловея 9 г/кг также оказывало положительное структурообразующее воздействие на исследуемый «урбанозем собственно» и во всех вариантах опыта приводило к значимому увеличению содержания в почве водопрочных агрегатов - на 6,7 - 10,3% (рис. 115) (Смицкая, Неведров, 2021).

о4 85

т н щ т 80 75

и а о о 70

и н В" о р 65 60

Л о п 55

о ч о са 50

65,2

75,5

75,3 £

82,1 2,

67,7

73,4

Контроль Контроль + Pb 1,5 ПДК Pb 1,5 ПДК + Pb 2,5 ПДК Pb 2,5 ПДК глина глина + глина

Вариант опыта

Рисунок 115. Зависимость показателя водопрочности структурных почвенных агрегатов от загрязнения почв свинцом и обработки почв удобрением-сорбентом (в дозах 6 г/кг и 9 г/кг почвы) (Смицкая, Неведров, 2021; Неведров, 2024б)

Структурообразующее воздействие глины келловея, в первую очередь, обусловлено ее химическим составом. Она содержит до 4,1% органического вещества и 4,57 % Fe2O3. Стоит отметить, что загрязнение урбанозема свинцом в дозах 1,5 - 2,5 ПДК не влияло на показатель водопрочности (Смицкая, Неведров, 2021).

Влияние обработки почв глиной келловея на функционирование почвенного микробиотического комплекса. По результатам замеров температуры и влажности почв в контейнерах установили, что значения этих параметров статистически не различалось во всех вариантах опыта, что свидетельствует об идентичности гидротермических условий в рамках лабораторного опыта и, соответственно, об отсутствии влияния этих факторов на изменение скорости эмиссии СО2 из исследуемых почв при проведении опыта (табл. 45) (Неведров и др., 2021г; Неведров, 2024б).

Таблица 45. Влияние обработки загрязненных свинцом почв глиной келловея на их микробиологическую активность (Неведров и др., 2021г)

Показатели Контроль Контроль + глина Pb 1,5 ПДК Pb 1,5 ПДК + глина Pb 2,5 ПДК Pb 2,5 ПДК + глина

Влажность почвы, % 63,8±1,1 64,3±1,6 64,6±1,9 65±1,2 63,2±2,3 63,5±1,5

t почвы, °С 16,1±0,4 16,1±0,5 15,3±0,3 15,7±0,5 16,0±0,8 16,1±0,3

Эмиссия СО2* 3,9±0,3 3,9±0,2 3,5±0,2 6,2±0,4 2,2±0,2 4,9±0,4

* Эмиссия СО2 из почвы, г СО2 / м2 в сутки

Загрязнение почв свинцом отражалось на микробиологической активности почв. Скорость потоков С02 из загрязненного урбанозема дозой свинца в 1,5 ПДК снижалась на 10,3 %, при дозе загрязнения 2,5 ПДК скорость эмиссии снижалась на 43,6% (табл. 45) (Неведров и др., 2021г; Неведров, 2024б).

Внесение глины келловея в незагрязненный чернозем выщелоченный не повлияло на микробиологическую активность почв, скорость эмиссии СО2 не различалась в вариантах опыта «Контроль» и «Контроль + глина» и в среднем составляла 3,9 г СО2/м в сутки. Обработка загрязненного урбанозема глиной келловея приводила к стимуляции микробиологической активности. Скорость потоков СО2 в из почв в вариантах опыта «РЬ 1,5 ПДК + глина» и «РЬ 2,5 ПДК + глина» была в 1,8 - 2,2 раза выше, чем из загрязненных почв необработанных сорбентом в вариантах опыта «РЬ 1,5 ПДК» и «РЬ 2,5 ПДК». Стимуляция активности почвенного микробиологического комплекса происходила за счет снижения токсичности свинца, вызванного сорбционной способностью глины келловея по отношению к этому поллютанту. Стоит отметить, что скорость потоков в СО2 из обработанных глиной келловея загрязненных почв была выше, чем из контрольного образца - чернозема выщелоченного. Это можно объяснить тем, что загрязнение урбанозема РЬ до внесения глины являлось лимитирующим фактором, ограничивающим микробиологическую активность, и закрепление ионов РЬ на сорбционных центрах глины, по-видимому, стимулировало рост численности почвенной микробиоты и, соответственно, интенсивность гетеротрофного дыхания, что и отразилось на повышении скорости выделения С02 из почв (Неведров и др., 2021г).

7.3.3. Моделирование устойчивых почвенных конструкций в условиях урбоэкосистем для повышения их экологической безопасности

Моделирование конструктоземов с оптимальными свойствами для каждого отдельного типа городского ландшафта, как правило, представляет собой последовательную укладку слоев грунта различного генезиса с определенным

набором параметров (физических и химических свойств: плотность, водоудерживающая и инфильтрационная способности, содержание органического вещества и элементов минерального питания растений и др.), определяющих их функционал. При моделировании устойчивых почвоподобных тел можно использовать глину келловея и формировать из нее сорбционный горизонт, который должен залегать сразу под гумусово-аккумулятивным. Поступающие в гумусово-аккумулятивный горизонт ТМ после постепенной вертикальной миграции будут поступать в горизонт, сформированный из глины келловея и прочно закрепляться на сорбционных центрах глины. Элементы минерального питания, входящие в состав глины, в результате физико-химических и биологических процессов будут высвобождаться из твердой фазы в почвенный раствор и обогащать корнеобитаемый слой. Сорбционный горизонт на основе глины келловея необходимо формировать из субстрата, полученного путем смешивания глины с речным кварцевым песком в соотношении 1:1. Материал укладывают единым слоем под гумусовым горизонтом. Предлагаемый способ детоксикации обеспечивает снижения вертикальной миграции РЬ и Cd, а также способствует повышению экологической устойчивости почв урбоэкосистем особенно в импактных зонах (Попова, Неведров, 2022б; Nevedrov et а1., 2022a; Патент № 2803545 РФ, 2023).

Экспериментально оценивалась интенсивность миграции Cd и РЬ в почвенном профиле со встроенным в него сорбционным горизонтом. В условиях лабораторных опытов моделировались почвенные профили (колонки) с последовательно залегающими модельными горизонтами: гусмусово-аккумулятивный горизонт ^ глина келловея + песок (1:1) ^ песок ^ дренаж Мощность каждого горизонта модельного почвенного профиля (колонки) равнялась 6 см, общая мощность колонки 18 см. Контролем служили модельные почвенные колонки двух типов: а) контроль без гумусово-аккумулятивного горизонта - глина келловея + песок (1:1) ^ песок ^ дренаж; б) контроль без сорбционного горизонта - 18 см гумусово-аккумулятивного горизонта ^ дренаж (Попова, Неведров, 2022б; Патент № 2803545 РФ, 2023).

Норма ежедневного полива почвенных колонок соответствовала промывному водному режиму и составляла 93 мл/неделю, что соответствовало среднемесячной июльской норме осадков (74,4 мм). Всего в рамках проведения лизиметрического опыта было внесено количество модельных осадков равное сумме выпадающих в г. Курске осадков за июль, август и сентябрь. Почвенные колонки в каждом варианте поливали загрязненной РЬ и Cd водой. Моделировались 2 дозы загрязнения, соответствующие 2 ПДК и 10 ПДК по кадмию и свинцу. Опыт проводился в трехкратной повторности (Попова, Неведров, 2022б).

Физические свойства глины и ее дисперсия при формировании слоя внутри почвенного профиля без добавления песка приводит к ее слеживаемости и уплотнению, что влияет на инфильтрационные свойства. При иссушении профиля глина также сильно уплотняется и приобретает твердую глыбистую структуру.

Смешивание глины с речным песком в соотношении 1:1 приводило к облегчению гранулометрического состава и увеличению инфильтрационной способности слоя. Также стоит отметить, что вегетация растений газонных трав на композитном субстрате из глины келловея и песка сопровождалась процессами образования оструктуренных агрегатов, которые наблюдались уже после 3-х месяцев проведения опыта (рис. 116).

Рисунок. 116. Образованные структурные отдельности (почвенные агрегаты) после нахождения в составе модельной почвенной колонки в течение 3-х месяцев сорбента на основе глины келловея и речного кварцевого песка, смешанных в соотношении 1:1

Результаты проведенного опыта показали, что при внесении глины келловея в моделируемые почвенные профили миграция свинца снижается в 3,7 - 4,0 раза, а миграция кадмия в 1,2 - 1,3 раза по сравнению с контрольными вариантами равных по мощности почвенных колонок, состоящих только из гумусового

(гумусово-аккумулятивного) горизонта, что доказывают данные по валовому содержанию ТМ (табл.46). Также менее эффективными оказались почвенные колонки без гумусового (гумусово-аккумулятивного) горизонта при дозах загрязнения РЬ и Сd 10 ПДК. Залповое поступление такого количества металлов в систему не способствовало полному закреплению поллютантов и они вымывались за пределы почвенного профиля. Сорбционный горизонт проявляет эффект при постепенном поступлении ТМ из выше залегающих слоев почвы. При дозах загрязнения 2 ПДК модельный горизонт в составе глина келловея + песок (1:1) полностью адсорбировал внесенный свинец и 42% внесенного кадмия. Отмечалось вымывание 52,2% свинца и 58% кадмия (табл. 46). (Попова, Неведров, 2022б; Патент № 2803545 РФ, 2023).

Таблица 46. Вертикальное распределение свинца и кадмия в модельных

почвенных колонках (лабораторный опыт)

Вариант опыта (схема почвенной колонки) Горизонт почвенной колонки Вариант опыта

Содержание ТМ в модельных горизонт валовая форма, знаменат. - подвижная ах числит. -орма, мг/кг

2 ПДК РЬ 10 ПДК РЬ 2 пдк са 10 пдк са

Контроль (18 см слой серой почвы, смешанной с торфом 2:1) Гумусовый (верхний - 6 см) 65,08±2,3 4,78±1,7 555,6±7,2 121,6±9,3 3,98±0,4 1,84±0,1 3,3± 1,1 2,93±0,8

Гумусовый (нижний - 6 см) 5,09±1,3 0,26±0,3 5,21±1,2 0,28±1,0 0,155±0,01 0,065±0,02 0,175±0,01 0,045±0,01

Контроль (6 см слой серой почвы / 12 см слой песка) Глина келловея (6 см) + песок (12 см) (1:1) 32,13±1,3 5,56±0,3 150,96±11,2 21,78±1,0 0,83±0,01 0,23±0,02 4±0,01 2,9±0,01

Песок 1,6±0,7 0,86±0,1 2,06±0,5 0,4±0,4 0,175±0,01 0,135±0,01 0,18±0,02 0,13±0,01

Опыт (6 см слой серой почвы, смешанной с торфом 2:1 / 6 см слой сорбента / 6 см слой песка) Гумусовый 38±2,3 18,6±1,7 273,4±7,2 158,4±9,3 1,3±0,4 1,0±0,1 8,6±1,1 5,0±0,8

Глина келловея + песок (1:1) 5,35±1,3 1,2±0,3 6,5±1,2 3,5±1,0 0,3±0,01 0,11±0,02 0,14±0,01 0,06±0,01

Песок 1,26±0,7 0,9±0,1 1,4±0,5 1,1±0,4) 0,12±0,01 0,09±0,01 0,15±0,02 0,09±0,01

Наиболее эффективным в плане закрепления РЬ (задержано в профиле 88,1 -

100%) и Cd (задержано в профиле 86 - 90%) и ограничения их внутрипрофильной миграции оказался моделируемый почвенный профиль, состоящий из трех последовательно залегающих горизонтов следующего состава: 1 - 6 см слой серой почвы, смешанной с торфом 2:1; 2 - 6 см слой сорбента (глина келловея + речной

песок 1:1; 3 - 6 см слой песка (Попова, Неведров, 20226; Патент № 2803545 РФ, 2023).

Также снижалась мобильность РЬ и Сё, доля подвижных форм исследуемых ТМ в сорбционном горизонте была на 4,1 - 40,3% ниже, чем в гумусовом горизонте и на 17,2 - 49,0% ниже, чем в песчаном горизонте (рис. 117). Это позволяет утверждать, что при вертикальной миграции ТМ из гумусового (гумусово-аккумулятивного) горизонта, слой на основе смеси глины келловея и речного кварцевого песка в соотношении 1:1 будет выполнять функцию контрастного и емкого геохимического барьера (Попова, Неведров, 2022б; Патент № 2803545 РФ, 2023).

РЬ 2 ПДК РЬ 10 ПДК Сё 2 ПДК Сё 10 ПДК

Доза загрязнения модельной почвы РЬ и С^ ПДК

И Гумусовый ЕЗ Глина келловея + песок (1:1) П Песок

Рисунок 117. Зависимость подвижности ТМ в модельных горизонтах почвенных колонок от дозы их загрязнения (Попова, Неведров, 20226)

Стоит отметить, что большее количество внесенных поллютантов не зависимо от дозы загрязнения было адсорбировано в гусмусово-аккумулятивном горизонте модельных почвенных профилей (табл. 46). Сорбционный горизонт выполнял барьерную функцию, резко снижая подвижность и миграционную способность свинца и кадмия. Исходя из этого можно утверждать, что при моделировании почвенных профилей в натурных условиях необходимо осуществлять следующим образом - сорбционный горизонт (глина келловея + песок (1:1) закладывать сразу под гумусово-аккумулятивным или под техногенным рекультивационным горизонтом (RAT) (Попова, Неведров, 2022б; Патент № 2803545 РФ, 2023; Неведров и др., 2024).

При осуществлении способа в натурных условиях опыт проводился в вегетационный сезон 2021 года на агробиостанции КГУ с мая по сентябрь (суммарное количество осадков в этот период составляло 458,6 мм). В полевых условиях моделировалась почвенная конструкция. Для этого снимался гумусово -аккумулятивный горизонт темно-серой типичной почвы (AU) и субэлювиальный горизонт (BEL) общей мощностью 50 см. Изъятие производилось буром диаметром 20 см, площадь изъятия составляла 314 см . В образованные скважины помещалась канализационная труба диаметром 200 см (для исключения латеральной миграции растворов), в которую послойно помещалась почвенная конструкция, состоящая из гумусового слоя и сорбционного слоя. С целью создания благоприятного корнеобитаемого слоя для нормальной вегетации растений мощность гумусового (гумусово-аккумулятивного) горизонта конструируемых почвенных профилей составляла 25 см. Использовался горизонт AU темно-серой почвы. Мощность сорбционного горизонта (глина келловея + речной кварцевый песок 1:1), закладываемого сразу под гумусовым горизонтом, была соразмерной - 25 см. В натурных условиях почвенные конструкции состояли из равных по мощности гумусовых и сорбционных горизонтов, аналогично изложенным выше лабораторным испытаниям. После создания почвенных конструкций проводилось искусственное моноэлементное загрязнение почв растворами нитратов свинца и кадмия. Загрязнение почвы проводилось в дозах соответствующих 5, 10 и 20 ПДК по каждому ТМ. В качестве контроля использовалась незагрязненная почвенная конструкция. Повторность опыта -трехкратная (Попова, Неведров, 2022а; Патент № 2803545 РФ, 2023).

По результатам исследования констатировали, что более 94% свинца и кадмия было сорбировано в гумусовом горизонте исследуемых почвенных конструкций. Однако высокая подвижность свинца и кадмия (27,3 - 58,3%) позволяет прогнозировать активную вертикальную миграцию вниз по профилю в последующие годы. Отмечено снижение мобильности свинца на 16,5 - 20,1% в вариантах опыта с высокой и очень высокой дозами загрязнения (10 и 20 ПДК). В течение вегетационного сезона исследуемые ТМ активно мигрировали вниз по

профилю и депонировались в сорбционном горизонте. Содержание РЬ в сорбционном горизонте возрастало в 1,3 - 2,3 раза, Сё - в 1,9 - 12,0 раз, относительно контрольных вариантов почвенных конструкций без загрязнения ТМ (табл. 47) (Попова, Неведров, 2022а; Неведров и др., 2024).

Таблица 47. Вертикальное распределение свинца и кадмия в модельных почвенных профилях (полевой опыт) (Попова, Неведров, 2022а; Патент № 2803545 РФ, 2023)

Горизонт Вариант опыта, содержание ТМ, мг/кг (числитель - валовая форма,

знаменатель - подвижная форма)

Контроль Pb Контроль Cd

5 10 20 5 10 20

ПДК ПДК ПДК ПДК ПДК ПДК

Гумусовый 9,8 156,7 221,1 668,5 0,31 и 34,7 45,5

1,2 42,8 85,5 390,5 0,10 2,6 12,3 15,4

Сорбционный 7,3 9,6 13,5 16,5 0,26 0,49 0,76 3,13

0,9 2,7 3,0 6,3 0,09 0,24 0,31 2,0

Bt 11.1 11,6 10,8 11,2 0,31 0,27 0,30 0,29

1,0 0,9 0,9 0,9 0,08 0,09 0,11 0,09

Создание сорбционного горизонта из смеси глины келловея и речного кварцевого песка в соотношении 1:1 мощностью 25 см способствовало препятствию миграции свинца и кадмия в субэлювиальный горизонт (Bt). Содержание валовых и подвижных форм ТМ в горизонте Bt исследуемой темно-серой типичной почвы в вариантах почвенных конструкций с искусственным загрязнением существенно не различалось со значениями, полученными в контрольных (незагрязненных) почвенных конструкциях (табл. 47) (Попова, Неведров, 2022а; Патент № 2803545 РФ, 2023; Неведров и др., 2024).

Конструктоземы с предлагаемыми сорбционными горизонтами можно эффективно применять в условиях уже имеющегося или потенциально вероятного импактного загрязнения на промышленных площадках предприятий машино - и приборостроительной, металлургической, химической и добывающей отраслей промышленности. Также актуально применение способа при реализации проектов рекультивации земель и ренатурировании техногенно нарушенных ландшафтов (терриконы ГОК, полигоны ТКО). По данным проведенных расчетов установлено, что стоимость реализации такого способа составляет от 1530 - 1950 рублей за м .

7.4. Повышение эффективности механизмов управления качеством

экосистемных сервисов почв

В современных экспериментальных исследованиях определение эффективности сорбента требует значительных затрат финансов, ресурсов, энергии и времени. Как правило, для выявления количества подвижных и валовых форм ионов ТМ при тестировании сорбентов в лабораторных и полевых условиях используют инструментальные методы количественного определения элементов (атомно-абсорбционную спектрометрию, инверсионную вольтамперомерию), включающие длительную и трудоемкую пробоподготовку (Патент № 2692263 РФ, 2019; Неведров и др., 2019в). Внедрение простых в исполнении и экспрессных способов оценки эффективности сорбционных материалов позволит оперативно реагировать на изменения экологической ситуации и подбирать оптимальные сорбенты для загрязненных ТМ почв урбоэкосистем в короткие сроки. Для оценки эффективности сорбентов ТМ в почвах представляется возможным использовать косвенные показатели кинетики ТМ в почвенном растворе, например, электропроводность почв (ЕС). Это широко применяемый метод для оценки таких параметров, как структура, влажность, проводимость, степень уплотнения, содержание органического вещества и растворенных в почвенной влаге солей. Измерение электропроводности подвержено действию множества возмущающих факторов, но при заданных и контролируемых параметрах лабораторного опыта с модельной однородностью среды можно наблюдать за вариациями одного изучаемого фактора - соотношение форм ТМ в почвах, обогащенных сорбирующим агентом (Патент № 2692263 РФ, 2019; Неведров и др., 2019в).

Известны прямые и косвенные способы определения удельной электропроводности почв (Зырин, 1964; Патент РФ №2331070, 2006), которые активно применяются в практике исследования засоленных почв.

В рамках испытания способа использовался темногумусовый горизонт (020 см) серой типичной среднесуглинистой почвы (содержание гумуса -4,2 %,

рНи2о - 6,1, содержание N/P/K = 18,2/17,1/19,3 мг/100г) (Патент № 2692263 РФ, 2019; Неведров и др., 2019в).

В пластиковые кюветы помещали по 0,5 кг высушенной до воздушно-сухого состояния почвы объемом 1000 см (объем почвы может меняться в зависимости от ее агрегатного состава, обусловленного ее генезисом). ТМ вносились в форме нитратов (Zn(NO3)2, Pb(NO3)2, Cd(NO3)2), в дозе 5 ПДК по валовым формам. В качестве сорбента, который согласно рабочей гипотезе должен оказать иммобилизующее действие на внесенные поллютанты, применяли смесь высушенного сапропеля и гашеной извести в дозе 10 тонн/га. Количественное соотношение компонентных составляющих сорбента варьировались в следующем порядке: одна единица массы сапропеля к одной единице массы извести (1:1), одна единица массы сапропеля к трем единицам массы извести (1:3), одна единица массы сапропеля к пяти единицам массы извести (1:5) (рис. 118) (Патент № 2692263 РФ, 2019; Неведров и др., 2019в).

Рисунок 118. Схема проведения

к РЬ Zn Cd Pb, Zn, Cd

Сорбент 1*1+ РЬ 1*1+ Zn 1*1 +Cd 1*1 + Pb, Zn, Cd

Сорбент 1*3+ РЬ 1*3 + Zn 1*3 + Cd 1*3+ Pb, Zn, Cd

Сорбент 1*5+ РЬ 1*5+ Zn 1*5 + Cd l*S + Pb, Zn, Cd

лабораторного изучению мобильности измерения

опыта по динамики ТМ путем удельной

электропроводности почв

Дозы внесения сорбента определялись согласно нормам внесений извести и сапропеля в почвы среднесуглинистого механического состава. Мобильность ТМ оценивали путем измерения электрического сопротивления почв двухэлектродным методом. Прямое измерение электропроводности кондуктометрическим методом рекомендовано для исследования только засоленных почв (Зырин, Орлов, 1964), в которых токсичные для растений концентрации солей натрия и других ионов значительно превосходят концентрации питательных элементов. Кроме того, этот способ требует специального оборудования (солемеров) и является довольно сложным по исполнению, поскольку связан с приготовлением суспензий и получением из них

отфильтрованных почвенных вытяжек. (Патент № 2692263 РФ, 2019; Неведров и др., 2019в).

Электрическое сопротивление измеряли в соответствии с методикой, предложенной А.Р. Афанасьевым с соавторами (Патент RU № 2331070, 2013), в пластиковых диэлектрических кюветах при моделируемой влажности почв около 30%. При этом, увеличили массу образца (с 300 г до 500 г) и соответственно объем почвы в кювете. Кроме того, подготовка образцов методом просеивания была заменена на использование почвенных образцов монолитного строения, поскольку просеивание создает селективный отбор агрегатных фракций. При этом изменяется водно-воздушный режим, что искажает показатели электропроводности, характерные для почв естественного сложения. Измерение электрического сопротивления производили сразу же после полива и перемешивания почвы аналоговым авометром с разрешением измерения в пределах единиц Ома.

Электропроводность рассчитывали по формуле (8):

О = 1 / Я (8)

где: G - электропроводность, Ом-1; Я - электрическое сопротивление, Ом.

Удельную электропроводность рассчитывали делением полученного результата электропроводности на объем почвенного образца по формуле (9):

у = О / V (9)

где: у - удельная электропроводность, Ом-1 см-1; О - электропроводность, Ом-1^ - объем почвенного образца в кювете, см3.

Измерение проводили на 10-е и 60-е сутки после внесения сорбента в почву. В течение 60 суток осуществляли искусственный полив соответствующий средней норме осадков, выпадающих в Курской области в мае - июне. Опыт проводили в трехкратной повторности (Патент № 2692263 РФ, 2019; Неведров и др., 2019в).

Установленные корреляционные связи между электропроводностью почвенного раствора и мобильностью ТМ в нем подтверждали путем параллельного определения электропроводности и массовых концентраций

подвижных форм ТМ методом атомно-абсорбционной спектрометрии на 61 сутки экспозиции опыта (Патент № 2692263 РФ, 2019; Неведров и др., 2019в).

При анализе результатов измерений электрического сопротивления и расчетов удельной электропроводности почв отметили следующее. В вариантах опыта с внесением ионов свинца в первые десять суток наблюдалось явное увеличение (на 87,3%) удельной электропроводности загрязненной почвы по сравнению с чистым - контрольным вариантом. Такие различия удельной электропроводности между контрольным образцом и загрязненной свинцом почвой сохранялись в течении 60-ти суток, что свидетельствует об ионной активности внесенного в почву загрязняющего вещества (160 мг/кг). Для оценки иммобилизующего эффекта сорбционного материала на основе сапропеля и извести логично проводить сравнения удельной электропроводности почв вариантов опыта с внесенным сорбентом (1:1, 1:3, 1:5) с вариантом -загрязненным свинцом (РЬ). Статистически достоверны различия показателя во всех указанных парах вариантов опыта (р < 0,05). В течение первых 10 суток наименьшей электропроводностью обладала почва варианта с соотношением массовых долей сапропеля и извести в составе сорбента равном 1:3. По всей видимости, данное соотношение компонентов сорбента привело к быстрой сорбции ионов свинца на минеральных почвенных коллоидах. Однако на 60-е сутки показатель удельной электропроводности вырос в 2,4 раза. Относительной стабильностью показаний удельной электропроводности почв, на протяжении двух месяцев испытаний, отличаются варианты 1:1 и 1:5 (рис. 119А). Стоит отметить, что на 60-е сутки исследования максимальным иммобилизующим действием и минимальной удельной электропроводностью по отношению к внесенному свинцу отличался вариант с массовым соотношением компонентов равном 1:1 (1статистич. = 2,14 при 1критич. = 1,89) (Патент № 2692263 РФ, 2019; Неведров и др., 2019в).

А

В

Б

Г

Рисунок 119. Зависимость динамики удельной электропроводности серой почвы (10-6 Ом-1хсм-1) от загрязнения ионами ТМ и количественного соотношения компонентов внесенного сорбента (А - опыт с РЬ, Б - опыт с 7и, В - опыт Сё, Г -опыт со смесью металлов (РЬ, Сё) (Патент № 2692263 РФ, 2019; Неведров и др., 2019в)

По отношению к ионам цинка сорбент также продемонстрировал способность снижать количество подвижных форм элемента. Во всех вариантах опыта с внесенным сорбентом (1:1, 1:3, 1:5) удельная электропроводность была ниже, чем в варианте с внесением металла без сорбента (7п) (рис. 119Б) (Патент № 2692263 РФ, 2019; Неведров и др., 2019в).