Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут географії

УДК 911.9:001.3

ЕКОГЕОХІМІЯ ЛАНДШАФТІВ У ЗОНАХ ТЕХНОГЕНЕЗУ

11.00.01 - фізична географія, геофізика і геохімія ландшафтів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора географічних наук

Тютюнник Юліан Геннадійович

Київ - 2002

Анотація

Тютюнник Ю.Г. Екогеохімія ландшафтів у зонах техногенезу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора географічних наук за спеціальністю 11.00.01 - фізична географія, геофізика і геохімія ландшафтів, Інститут географії НАН України, Київ, 2002.

Розроблено принципи та конкретні методи екогеохімічного вивчення ландшафтів у зонах інтенсивного техногенезу. Дослідження урбанізованих ландшафтів проведено на основі концепції біосоціального та техногенних ландшафтних компонентів. Подано класифікацію міських ландшафтів. Для основних типів міських ландшафтів виявлено основні причини і чинники формування геохімічних полів під впливом процесів техногенезу та повітряного масопереносу. Показана геохімічна спеціалізація міських ландшафтів різних типів. Розроблено метод кількісного планшетного моніторингу забруднення атмосфери та поверхневих вод (р. Дніпро) важкими металами (Fe, Mn, Zn, Cu, Pb, Ni, Cd, Co). Метод застосовано до вивчення і картографування атмгеохімічних полів важких металів у містах України. За допомогою біогеохімічних методів моніторингу проведена геохімічна реконструкція атмосферного забруднення важкими металами ландшафтів України в період ХІХ - ХХ ст. та дана оцінка радіоактивного забруднення підземних вод і грунтів в зонах техногенезу Чорнобильскої зони відчуження.

Ключові слова: ландшафт, ландшафт урбанізований, техногенез, моніторинг.

Summary

Tytyunnik Yu.G. Landscapes Ecogeochemistry in Technogenesis Zones. - Manuscript.

The Thesis for Doctor's degree in Geography, specialty 11.00.01 - Physical Geography, Geophysics and Geochemistry of Landscapes, The Institute of Geography of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

Metodological principles and specific procedures for landscape ecogeochemical research within the zone of intensive technogenesis have been developed. The concepts of technogenesis geocomponents and urbanized landscapes, as well as principles of urban landscape classification have been grounded, Ukrainian urban landscapes main types have been characterized too. The main reasons for geochemical fields formation under the influence of atmotechnogenesis processes have been established for each individual urban landscape type. A strategy for quantitative absolute geochemical monitoring of atmospheric and surface water (river Dnepr) contamination by heavy metals (Fe, Mn, Zn, Cu, Pb, Ni, Cd, Co) has been devised. The strategy has been applied to heavy metals atmogeochemical fields research and mapping in the towns of Ukraine. Geochemical reconstruction of atmospheric contamination along the Ukraine territory by heavy metals during a period of XIX - XX centuries has been fulfilled by the use of biogeochemical methods of monitoring, and radioactive contamination for the environmental underground waters and soils within the technogenesis zones of the Chornobyl Exclusion Zone had been assessed.

Key words: landscape, urbanized landscape, technogenesis, monitoring.

Аннотация

Тютюнник Ю.Г. Экогеохимия ландшафтов в зонах техногенеза. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора географических наук по специальности 11.00.01 - физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов, Институт географии НАН Украины, Киев, 2002.

Разработаны методологические принципы и конкретные методики экогеохимического изучения ландшафтов в зонах интенсивного техногенеза (ландшафты городов, Чернобыльской зона отчуждения, а также находящиеся в условиях геотехнического фона). Применена разработанная автором концепция биосоциального и техногенных компонентов ландшафтов, согласно которой люди, технические объекты и искусственные инженерные сооружения являются не факторами и субстанциями, воздействующими на ландшафт извне, а его органическими составляющими - ландшафтными компонентами (биосоциальным и техногенными ландншафтными компонентами соответственно). Процессы технологического генерирования и преобразования вещества рассматриваются как внутриландшафтные процессы (технологические ландшафтно-геохимические процессы). Урбанизированные ландшафты являются ландшафтами самостоятельного отдела ландшафтной сферы - техногенного. К их изучению не могут быть “автоматически” и в полном объеме применены методики традиционного ландшафтоведения, в том числе антропогенного.

Урбанизированными ландшафтами являются ландшафты, в пределах которых техногенные компоненты создают физико-географический фон (по Э.Г.Коломыцу). В основе классификационных выделов городских ландшафтов лежат внутрифоновые вариации техногенного покрова. Упорядочена и доработана классификация городских ландшафтов Украины. Выделены следующие типы городских ландшафтов: селитебные, промышленные, селитебно-промышленные, транспортные, складские, промышленно-складские, транспортно-складские, селитебно-складские, садово-парковые, паразитические (под свалками, полигонами твердых бытовых отходов и др.), горно-промышленные, агроселитебные и городские агроландшафты, аквальные.

К изучению процессов атмосферного загрязнения городов Украины применен урболандшатно-типологический подход в сочетании с факторным анализом. Показано, что городские ландшафты различных типов имеют статистически достоверную геохимическую специализацию, обусловленную техногенезом и атмосферным массопереносом загрязняющх веществ.

С ландшафтно-геохимических позиций и с помощью регрессионного анализа изучены статистические зависимости между содержанием тяжелых металлов в динамических (атмосферный воздух, вода - р. Днепр) и депонирующих (почвы, растения, донные отложения) средах в зонах техногенеза. Вычислены уравнения регрессий, отражающие эти зависимости и позволяющие давать оценку абсолютного содержания тяжёлых металлов (Fe, Mn, Zn, Cu, Pb, Ni, Cd, Co) в воздухе и воде по их измеренным концентрациям в депонирующих объектах. Данные уравнения использованы при вычислении уровней загрязнения приземной атмосферы в городах Днепродзержинске, Кривом Роге, Тернополе, которые расчитывались на основе измеренного содержания тяжёлых металлов в пробах коры тополя черного и эпифитных лишайников. Произведено урболандшафтное картографирование указанных городов и на урболандшафтной основе построены карты их атмосферного загрязнения тяжелыми металлами, некоторые карты - в изолиниях средних многолетних концентраций (мкг/м³) металлов в приземной атмосфере (М 1: 10 000).

Изучена геохимическая специфика промышленных ландшафтов коксохимических заводов. С помощью биогеохимических методов произведены исторические геохимические реконструкции (период - XIX - XX вв.) атмосферного загрязнения тяжелыми металлами ландшафтов Украины как в зонах техногенеза, так и в районах геотехнического фона. Обосновано применение метода биогеохимической индикации для мониторинга загрязнения почв и подземных вод ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в местах влияния пунктов захоронения и/или временной локализации радиоактивных отходов (район исследования - 30-км зона отчуждения Чернобыльской АЭС, объект исследования - сок березы бородавчатой).

Ключевые слова: ландшафт, ландшафт урбанизированный, техногенез, мониторинг.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геохімії навколишнього середовища НАН та МНС України.

Науковий консультант: академік НАН України, доктор геолого-мінералогічних наук, професор Соботович Емлен Володимирович.

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор Гуцуляк Василь Миколайович, Чернівецький національний університет імені Ю.Федьковича, завідувач кафедри;

доктор географічних наук, професор Денисик Григорій Іванович, Вінницький педагогічний університет ім. Михайла Коцюбинського, завідувач кафедри;

доктор географічних наук, професор Некос Володимир Юхимович, Харківський національний університет ім. В.Н.Каразіна, завідувач кафедри.

Провідна установа - Львівський національний університет ім. Івана Франка Міністерства освіти і науки України, географічний факультет.

Захист відбудеться 30.10. 2002 року о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 26.163.02 Інституту географії НАН України за адресою: 01034, м. Київ, вул. Володимирська, 44.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту географії НАН України за адресою: 01034, м. Київ, вул. Володимирська, 44.

Автореферат розісланий “27.09.2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат географічних наук,В.І.Передерій ст. наук. співр.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Ландшафтно-геохімічний підхід до вивчення та контролю забруднення довкілля є найбільш адекватним. Процеси техногенезу в останні десятиріччя досліджено з позицій ландшафтної геохімії досить масштабно, але значні обсяги напрацьованого емпіричного матеріалу вимагають більш повних і дієвих ландшафтно-геохімічних узагальнень. Тому кожне ґрунтовне ландшафтно-геохімічне дослідження в аспекті вивчення забруднення навколишнього середовища, є непересічним і актуальним. Особливо це стосується ландшафтів, що перебувають під найбільш потужним техногенним тиском - розташовані безпосередньо в зонах техногенезу. Актуальність дисертаційного дослідження обумовлюється тим, що з ландшафтознавчих та ландшафтно-геохімічних позицій в ньому запропоновані та обґрунтовані нові рішення в галузі моніторингу найбільш зміненого й найбільш складного для ландшафтознавчого вивчення середовища - урбанізованого та індустріального.

Поняття техногенезу , як відомо, є усталеним поняттям сучасної геохімії, яким з часів О.Є.Ферсмана позначають геохімічну діяльність суспільства. Поняття екогеохімії до складу наукової лексики увійшло порівняно недавно. Усталеного трактування цього поняття ще немає. У підручнику В.О.Олексієнка “Экологическая геохимия” (М., 2000 р.) визначення поняття “екологічна геохімія” (“екогеохімія” - скорочено), як таке, відсутнє. Автор роз'яснює, що “створення науки “екологічна геохімія”” обумовила “необхідність розгляду, з точки зору екології, різних геохімічних процесів, що протікають у біосфері” (с. 21). Але подібне трактування екогеохімії “розмиває” границю між нею та геохімічною екологією (Ковальский, 1974), а також біогеохімією, котру В.О.Олексієнко вважає складовою екогеохімії. Колектив сибірських геохіміків у монографії “Экогеохимия Западной Сибири” (Новосибирск, 1996) визначає екогеохімію як “новий науковий напрямок, що охоплює вивчення поведінки хімічних елементів у процесах взаємодії літосфери, гідросфери та біосфери з врахуванням впливу на них антропогенних навантажень” (с. 5). Таке розуміння екогеохімії ближче до прийнятого в даній роботі. Втім, автори до предмету екогеохімії відносять і проблеми створення штучних геохімічних бар'єрів, що наближає її предмет до такого геохімії техногенезу. В дисертації приймається трактування екогеохімії, якого дотримуються ландшафтознавці-геохіміки (зокрема, те, яке подано у колективній монографії “Экогеохимия городских ландшафтов”; М., 1995). Під екогеохімією розуміється геохімія забруднення навколишнього середовища. Таке розуміння екогеохімії, в свою чергу, бере початок у трактуванні такого поняття як геохімія навколишнього середовища фахівцями школи ІМГРЕ (Москва), очолюваних Ю.Є.Саєтом (“Геохимия окружающей среды”, М.,1990).

Щодо поняття зон техногенезу, то на сьогодні в загальній та ландшафтній геохімії також немає його усталеного визначення. На емпіричному рівні, під зонами техногенезу розуміють 1) території, що зазнають суттєвого техногенного впливу завдяки водному і повітряному переносові забруднювачів (зокрема, антропогенні ландшафти), та 2) території, де такий вплив власне продукується (зокрема, техногенні ландшафти, в яких процеси техногенезу локалізовано безпосередньо). В дисертації приділено увагу, як антропогенним, так - здебільшого - і техногенним ландшафтам.

Ландшафтознавче вивчення техногенних ландшафтів найбільш складне як з методичної, так і з методологічної точки зору. Найбільш розповсюдженими з них є ландшафти міст - урбанізовані ландшафти. З прикладної точки зору, очевидним є те, що розробка новітніх систем моніторингу, геохімічних засобів моделювання та прогнозу стану довкілля в урбанізованих ландшафтах, створення і поповнення банків даних про їх властивості - все це подається в дисертації - складає непересічну проблему таких сучасних галузей ландшафтознавства, як урболандшафтна геохімія та урболандшафтознавство. Згідно з новітніми концепціями містобудування та архітектури (Гутнов, 1985; Тетиор, 1991; Черкес, 1992), ландшафтна інфраструктура міста - так званий екологічний каркас - має стати провідним містоутворюючим чинником у містобудуванні XXI ст. (на відміну від ХІХ-ХХ століть, коли провідними чинниками у формуванні міста були, здебільшого, його транспортні та промислові функції). Тому санітарно-, еколого- та ландшафтно-геохімічні параметри міського середовища на сьогодні виступають уже не просто як умови і передумови безпеки і якості життя людини в місті, а як концептуальні складові новітніх містобудівельних теорій і практик, засади подолання “міської патології” (Хорев и др., 1993) що всебічно руйнує сучасне суспільство, та створення “біопозитивного” (Тетиор, 1991) міста третього тисячоліття.

У ландшафтно-геохімічному відношенні урбанізовані території України є актуальним об'єктом дослідження. Історично так склалося, що високий рівень урбанізації в нашій країні (8,95 % території) поєднується з високим рівнем індустріалізації. Причому, в містах країни значна питома вага виробництв “нижчих” поверхів промисловості - енергетичних, гірничо-видобувних і гірничо-збагачувальних, металургійних, коксо-, нафтохімічних і хімічних, важкого машинобудування, промисловості будматеріалів тощо. Саме ці виробництва геохімічно найбільшактивні,тобто саме з ними пов'язана основна маса викидів і скидів продуктів техногенезу в довкілля. І тому українське місто потребує значних наукових і технічних зусиль для оптимізації екологічного каркасу.

Однією з найважливіших складових створення адекватного екологічного каркасу урбанізованих ландшафтів є контроль, керування та поліпшення стану техногенно-геохімічного впливу на них. Спотворення екологічного каркасу в багатьох містах республіки викликається, в першу чергу, забрудненням повітря, грунтово-рослинного покриву, води. Звичайно, вкрай розгалужена проблема захисту урбанізованих та інших ландшафтів зон техногенезу від забруднення в дисертації розглядається лише в окремих аспектах, зокрема, з точки зору розробки нових та удосконалення існуючих систем геохімічного моніторингу, ландшафтознавчих засобів узагальнення та інтерпретації геохімічної інформації, ретроспективного аналізу формування стану забруднення довкілля в Україні. Ці проблеми, хоча й носять прикладний характер, але в сучасній геохімії ландшафтів є теоретично недостатньо опрацьованими, дискусійними. Проводячи моніторингові геохімічні роботи, дослідники-науковці та практики повинні не тільки фіксувати і оцінювати ті чи інші геохімічні параметри довкілля, але й правильно інтерпретувати результати даних робіт, з'ясовувати та пояснювати причини, механізми виникнення і розвитку того чи іншого геохімічного феномену. Без цього успішно боротися із шкідливими техногенно-геохімічними явищами неможливо.

Проблема правильного узагальнення, інтерпретації і розуміння ландшафтно-геохімічних процесів і явищ в зонах техногенезу, насамперед в містах, далеко виходить за межі прикладних завдань. Це вже фундаментальне питання геохімії загалом і геохімії ландшафтів, зокрема. Його дослідження на тлі концептуальних, методологічних і методичних розробок обумовлюють теоретичну наукову актуальність дисертації. В цьому пункті наша робота далека від усталеності. Але таким є загальний стан сучасної науки (Лиотар, 1998); теоретична актуальність і дискусійність наукового дослідження в значній мірі взаємообумовлені.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційного дослідження є розвиток теоретичних засад та методів ландшафтної геохімії і екогеохімії зон техногенезу, насамперед урбанізованих територій.

Основні задачі дисертаційного дослідження:

1) розробка концептуальних положень геохімії ландшафтів в зонах техногенезу та урбогеохімії, як одного з її підрозділів (емпіричне обгрунтування концепції техногенних та біосоціальних компонентів ландшафтів і положення про технологічні ландшафтно-геохімічні процеси, розвиток теорії урболандшафтознавства та засобів його застосування в урбогеохімічних дослідженнях);

2) розробка нових та удосконалення існуючих методів моніторингу забруднення довкілля в зонах техногенезу а також на територіях з фоновим забрудненням (обгрунтування урболандшафтознавчих засад розташування мережі пробовідбору при моніторингу міського середовища, картографування техногенних геохімічних аномалій в містах на урболандшафтній основі; розвиток, удосконалення методів планшетного геохімічного моніторингу забруднення повітря, поверхневих і підземних вод; розробка засобів геохімічної реконструкції забруднення ландшафтів в історичному минулому);

3) обґрунтування можливості та доведення ефективності застосування статистико-математичних і феноменологічних підходів на ландшафтній основі при узагальненні та інтерпретації геохімічної інформації, визначенні причин виникнення тих чи інших техногенно-геохімічних явищ в зонах техногенезу. ландшафт урбогеохімія забруднення феноменологічний

Дані завдання вирішувалися на тлі експериментальної перевірки розроблених концепцій, методів та підходів в процесі конкретних моніторингових досліджень міських і промислових ландшафтів, природно-аквальних комплексів Дніпра, змінених (антропогенних) ландшафтів Чорнобильської зони відчуження та природно-територіальних комплексів в районах фонового забруднення довкілля практично по всій Україні. Отримання даних про стан забруднення довкілля складало окреме самостійне завдання дисертаційного дослідження.

Об'єкт та предмет дослідження. Об'єктом дослідження виступали: 1) урбанізовані, промислові і радіаційно забруднені ландшафти та їх компоненти - приземний шар атмосфери, верхній шар грунтового покриву, деревинні та спорові (мохи, лишайники) рослини; 2) природно-аквальні комплекси Дніпра і його водосховищ та їх компоненти - вода і донні відклади; 3) спорові рослини - лишайники, зібрані в різних природних зонах України, в районах з фоновим забрудненням. Предметом дослідження дисертації є: а) хімічний склад вище перерахованих компонентів і елементів геосистем; б) кореляційні залежності між вмістом хімічних елементів в них; в) техногенні ореоли розсіювання важких металів в урбанізованих і промислових, радіонуклідів у радіаційно забруднених ландшафтах Чорнобильскої зони відчуження; г) стан та причини забруднення атмосферного повітря, грунтів і грунтових вод в антропогенних та техногенних ландшафтах країни; д) зміни у вмістові хімічних елементів в лишайниках за історичний час та їх зв'язок із змінами забруднення атмосфери над Україною у ХІХ - ХХ ст.

Методологія і методи дослідження. Методологія дослідження грунтується на принципах класичного та сучасного ландшафтознавства. Зокрема, важливу роль відіграли моносистемна модель ландшафту за В.С.Преображенським, положення Ф.М.Мількова про відділи ландшафтної сфери, вчення Е.Г.Коломиця про фізико-географічні фон, каркас та мереживо. Використано урболандшафтознавчі принципи і підходи, що розроблялися, починаючи з 50-х рр., і викладені в роботах географів В.В.Покшишевського, О.С.Крюкова, С.І.Глазичева, Ф.В.Тарасова, архітектора В.І.Гуцаленко. У роботах вказаних авторів урбанізований ландшафт розглядався як іманентна єдність природної та техногенної складових, а не як похідна їх взаємодії (що притаманно класичному антропогенному ландшафтознавству, зокрема в інтерпретації Ф.М.Мількова).

Ландшафтно-геохімічні засади роботи базувалися на загальних положеннях: 1) геохімії техногенезу (діяльність людства, як геологічний процес, концепція індустріального метаболізму - О.Є.Ферсман, В.І.Вернадський, Л.В.Таусон, Е.В.Соботович, Б.О.Горлицький); 2) геохімії ландшафтів (вчення про технобіогеоми, ландшафтно-геохімічні бар'єри, геохімічні класифікації ландшафтів в зонах техногенезу - О.І.Перельман, М.А.Глазовська, В.О.Олексієнко); 3) урбогеохімії (геохімічні класифікації джерел техногенного впливу в містах, геохімічні спеціалізації міст, екогеохімічні підходи до вивчення міського середовища та ін. за Ю.Є.Саєтом, Б.О.Ревичем, М.С.Касімовим, Е.Ю.Безуглою, В.К.Лукашовим); 4) прикладної геохімії (концепція планшетного геохімічного моніторингу - Ю.Є.Саєт, О.П.Сорокіна, О.М.Ніканоров, О.В.Жулідов); 5) феноменологічної геохімії (О.О.Кіст, Ю.Є.Саєт, В.П.Ковальов); 6) атмогеохімії (вчення про атмосферну міграцію продуктів техногенезу, атмотехногенні ореоли розсіювання, гравітаційно-фракційну диференціацію пило-аерозолей - П.Брімблкуб, В.В.Добровольский, П.В.Єлпатьєвський, М.Є.Берлянд).

В дисертації використано такі методи отримання, обробки та інтерпретації геохімічних даних: 1) хіміко-аналітичні (емісійний спектральний, атомно-абсорбційний, рентген-флуоресцентний та ін.); 2) планшетно-геохімічний; 3) ландшафтно-типологічний; 4) порівняльно-географічний; 5) порівняльно-історичний; 6) картографічний; 7) статистико-математичний; 8) феноменологічний.

Відбір та хімічний аналіз проб природних та деяких техногенних (промисловий пил) об'єктів проводився як безпосередньо автором, так і науковими та виробничими колективами, які він очолював, або в яких працював. Найважливіші експедиційні та хіміко-аналітичні роботи було виконано під час роботи дисертанта в Інституті гідробіології АН УРСР (1980 - 1982 рр.), Київському центрі по вивченню та контролю забруднення навколишнього середовища Українського УГКС Держкомгідромету (1982 - 1984 та 1991 - 1992 рр.), Відділенні географії Інституту геофізики ім. С.І.Суботіна АН УРСР (1984 - 1987 рр.), лабораторії біоіндикації Центрального республіканського ботанічного саду АН УРСР (1988 - 1991 рр.), Науково-виробничому об'єднанні “Тера Україна” Української наукової асоціації (1992 - 1994 рр.), Міжгалузевому науково-технічному центрі “Укриття” НАН України (1994 - 1999 рр.). Використовувалися також офіційні (фондові) дані системи Держкомгідромету колишнього СРСР та України (отримані в НВО “Тайфун”, м. Обнінськ, Росія; в Головній геофізичній обсерваторії України, м. Київ). Теоретичне опрацювання матеріалу і підготовку дисертації проведено в Інституті геохімії навколишнього середовища НАН та МНС України під керівництвом академіка НАН України Е.В.Соботовича.

Експедиційними роботами було охоплено: а) 67 міст України¹⁾, Білорусі і Молдови; б) 20 сільських населених пункти; в) 30 гідрологічних створи на Дніпрі; г) 4 заповідники України; д) 30-км зона відчуження Чорнобильської АЕС. Загальна кількість відібраних та проаналізованих в лабораторіях зразків природних об'єктів складала понад 2 тис. Коло техногенних компонентів, що визначалися в різних зразках складалося із металів (Fe, Mg, Mn, Ti, Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Cd, Hg, Co, Mo), фторид- та сульфат-йонів, поліциклічних ароматичних вуглеводних, радіонуклідів ⁹⁰Sr та ¹³⁷Сs.

Наукова новизна одержаних результатів. Науковими пріоритетами дисертації є: 1) впровадження в урболандшафтознавство а) концепції біосоціального та техногенних компонентів ландшафтів (концепція БТК) і б) положення про техногенні ландшафтно-геохімічні процеси; 2) розробка постнекласичної концепції урбанізованого ландшафту і на її основі типології міських ландшафтів; 3) застосування урболандшафтознавчого підходу при проведенні моніторингу атмосферного забруднення міст та інтерпретації, в тому числі картографічної, даних про стан забруднення міського середовища; 4) розробка методу узагальнення геохімічної інформації та виявлення причин техногенно-геохімічних явищ в урбанізованому середовищі за допомогою факторного аналізу на урболандшафтно-типологічній основі; 5) розробка методів кількісного планшетного геохімічного моніторингу забруднення атмосфери і річкових вод важкими металами; 6) застосування методу біогеохімічної індикації для контролю радіаційного забруднення грунтів і грунтових вод в зонах впливу звалищ радіоактивних відходів; 7) застосування ліхеноіндикаційного методу вивчення та данні про зміни забруднення атмосферного повітря в Україні за історичний час (ХХ - ХІХ ст.). Крім того, в дослідженні отримано пріоритетні фактичні дані про стан атмосферного забруднення важкими металами ґрунтів основних типів урбанізованих ландшафтів країни, про вміст і розподіл в приземному шарі атмосфери важких металів в містах Дніпродзержинську, Кривому Розі, Тернополі.

Практичне значення одержаних результатів. Розробки дисертаційного дослідження можуть бути використані для: а) удосконалення, оптимізації та розширення урболандшафтна зйомка та картографування мережі і регламенту моніторингових робіт в містах, на річці Дніпро а також в межах впливу звалищ радіоактивних відходів; б) виявлення аналізу причин утворення атмотехногенних ореолів розсіювання важких металів в зонах техногенезу, чинників формування стану забруднення довкілля.

Практична реалізація розробок дисертації. Матеріали дисертаційного дослідження, як результати виконання госпдоговірних НДР (рекомендації, методики, карти, фактичні дані), було використано в Тернопільскому обл- та міськвиконкомах (г/д НДР № 65 з Тернопільским облагропромом “Біоіндикаційне обслідування ландшафтів м. Тернополя і Тернопільскої області з метою вивчення їх забруднення важкими металами” від 1.07.1989 р.), Дніпродзержинському міськвиконкомі (г/д НДР № 2830 з Дніпродзержинським міськвиконкомом “Оцінка атмосферного забруднення важкими металами ландшафтів м. Дніпродзержинська” від. 15.03.1989 р.), на металургійному комбінаті “Криворіжсталь” (г/д НДР № 46/424 з “Криворіжсталлю” “Оцінка атмосферного забруднення м. Кривого Рога в зоні впливу металургійного комбінату "Криворіжсталь"”, від 08.03 1989 р.), у Державному виробничому об'єднанні “Укркокс” (г/д НДР № 7 з “Укркоксом” “Вивчити вміст рідкісних металів у вугіллі, шихтах та продуктах переробки коксохімічного виробництва”, від 5.06.1992 р., м Дніпропетровськ). Матеріали дослідження увійшли до наукових звітів по держбюджетним темам НДР Національного ботанічного саду НАН України (д/б НДР № 296-БІ, шифр 23318 “Біоіндикація техногенно-атмосферного забруднення оточуючого середовища та вивчення реакцій-відповідей на вплив полютантів”, 1991 - 1993 рр.) та Міжгалузевого науково-технічного центру “Укриття” НАН України (д/б НДР № 0195U003875 “Вивчення особливостей розподілення трансуранових елементів та продуктів ділення урану в системі грунтигрунтові води вздовж напрямку руху грунтових вод в районі ЧАЕС”, 1998 р., м. Чорнобиль). Розробки дисертації було використано при складанні учбового курсу “Geoquнmica de la contaminaciуn radiactiva del medioambiente”, що читався автором у 20002001 рр. в Каталонському політехнічному університеті (Іспанія, м. Террасса). Матеріали, отримані автором під час роботи в Головній геофізичній обсерваторії (теперішня назва колишнього Київського центру з вивчення та контролю забруднення навколишнього середовища) Держкомгідромету України, є офіційними, використані при складанні щорічників та інших інформаційних матеріалів про стан забруднення довкілля в Україні.

Особистий внесок, в тому числі у співавторстві. Всі концептуальні та теоретичні розробки дисертаційного дослідження є оригінальними і виконані автором безпосередньо. Польові дослідження. Відбір зразків грунтів і рослин для розробки кількісного геохімічного моніторингу атмосферного забруднення повітря проведений автором самостійно. Донні відклади та вода Дніпра для розробки кількісного геохімічного моніторингу забруднення важкими металами поверхневих вод - у складі експедицій Інститут гідробіології НАНУ. Урболандшафтна зйомка Дніпродзержинська, Краматорська, Кривого Рога, Тернополя, відбір зразків грунту, рослин, техногенних субстратів (на коксохімічних заводах) самостійно. Відбір зразків для історичного моніторингу (по всій Україні) - самостійно. Відбір зразків по радіогеохімічному моніторингу у Зоні відчуження Чорнобильскої АЕС - у складі експедицій МНТЦ “Укриття” НАН України. Камеральні роботи. Хіміко-аналітичні роботи на третину виконані самостійно, на третину у складі аналітичних груп та колективів, на третину хіміко-аналітичні роботи виконувалися іншими аналітиками під безпосереднім методичним керівництвом автора. Обчислювальні роботи проводилися здебільшого виконавцями за завданнями та під керівництвом автора. Попередня статистична обробка та узагальнення фактичного матеріалу, вибір математичних моделей були проведені безпосередньо автором. Картографічні роботи виконані цілком самостійно. Використано офіційні дані: 1) дані про вміст важких металів в повітрі міст України, Білорусі, Молдови - дані НВО “Тайфун” (м .Обнінськ, Росія), ГГО України (м. Київ); 2) дані про вміст важких металів у грунтах міст України (тільки ті дані, що використані в підрозділах 4.1.2 - 4.1.5) - дані ГГО (дисертант приймав участь в їх отриманні під час роботи в цій установі).

Апробація результатів, публікації. Основні результати дисертаційного дослідження представлено на таких наукових форумах: 1) VI з`їзд Географiчного то-ва УРСР, Одеса, 1990; 2) регіональна наукова конференція “Охорона природи i вiдтворення ресурсного потенцiалу Захiдного Подiлля”, Тернопiль, 1990; 3) научная конференция “Промышленная ботаника. Состояние и перспективы”, Донецк, 1990; 4) міжнародна наукова конференція “Проблеми урбоекологiї та фiтомелiорацiї”, Львiв, 1991; 5) международное рабочее совещание “Экологические основы оптимизации урбанизированной и рекреационной среды”, Россия, Тольятти, 1991; 6) Second Internetional Symposium IAL2. Sweden, Lund, 1992, 30 August - 4 September; 7) наукова конференція “Екологiя людини” , Луцьк, 1993; 8) научно-практическая конференция “Оценка состояния отходов промышленных предприятий и перспективы использования их в качестве техногенных месторождений”, Кривой Рог, 1994; 9) международная научная конференция “Глубинное строение литосферы и нетрадиционное использование недр Земли”, Киев, 1996; 10) международная научная конференция “Геоэкологические проблемы устойчивого развития городской среды”, Россия, Воронеж, 1996; 11) международня научно-практическая конференция “Опыт и применение GIS-технологий для создания кадастровых систем”, Ялта, 1997; 12) международная научная конференция “УРБИС-97. Современные информационные технологии в урбанистике, градостроительстве и региональном планировании”, Россия, Москва, 1997; 13) Наука. Чорнобиль-97: Науково-практична конференція. Київ, 1997; 14) ІV международный симпозиум “Применение математических методов и компьютерных технологий при решении задач геохимии и охраны окружающей среды”, Киев, 1998; 15) 1^er Congreso Mundial de Salud y Medio Ambiente Urbano, Espaсa, Madrid, 1998, 6-10 de julio; 16) научные чтения им. акад. Ф.Ю.Левинсона-Лессинга. Международная конференция “Экологическая геология и рациональноe недропользование - ЭКОГЕОЛОГИЯ-2000”. Россия, Санкт-Петербург, 2000; 17) PEDOMETRICS - 2001. 4^th Conference of the working group on Pedometrics of the International Union of Soil Science (IUSS). Belgium, Ghent, 2001, 19-20 September; 18) EMA-2001. Conferencia Internacional de Estadнstica en Estudios Medioambientales. Espaсa, Cбdiz, 2001, 21-23 de noviembre.

Проблеми екогеохімічних досліджень ландшафтів у зонах техногенезу

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

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

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

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

Стохастичні зв'язки між техногенно обумовленими геохімічними параметрами ландшафтних компонентів

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

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

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

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

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

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

Дослідження соку дерев Betula pendula L., що ростуть біля або у межах ППРВ та ПТЛРВ у різних ландшафтних умовах Чорнобильської зони відчуження, показали ефективність його використання у якості геохімічного індикатора радіаційного забруднення грунтових вод. ¹³⁷Cs у соці беріз накопичується в кількості (n - nМ10³) Бк/л, а ⁹⁰Sr - в кількості (nМ10² - nМ10⁴) Бк/л, що може перевищувати вміст радіонуклідів у грунтових водах біля ППРВ, ПТЛРВ на три порядки для ¹³⁷Cs і на шість для ⁹⁰Sr (безбар'єрний тип поглинання за О.Л.Ковалевським). ¹³⁷Сs у соці дерев, що ростуть в межах трансакумулятивних елементарних геохімічних ландшафтів, накопичується у 4 а ⁹⁰Sr у 2 рази інтенсивніше, аніж в тих, котрі ростуть в межах елювіальних елементарних геохімічних ландшафтів.

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

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

Ландшафтознавчі основи урбогеохімічних досліджень

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

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

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

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

3. Постнекласична концепція урбанізованого ландшафту (рис.1, з використанням моносистемної моделі ландшафту за В.С.Преображенським). Урбанізовані ландшафти належать до техногенного відділу ландшафтної сфери (відділи ландшафтної сфери, згідно Ф.М.Мількову, розрізняються за типами переважаючих контактів окремих геосфер). Методи дослідження ландшафтів різних відділів ландшафтної сфери не є ізоморфними (Жариков, Преображенсикй, 1998). У вивчення урбанізованих ландшафтів не можна автоматично переносити підходи і методи класичного ландшафтознавста, в тому числі антропогенного.

Спираючись на вчення Е.Г.Коломиця (1987) про фізико-географічні фон, каркас та мереживо, автор визначає урбанізований ландшафт як такий, в котрому фоноутворюючі функції (функції формування фізико-географічного фону) виконуються техногенними та біосоціальним геокомпонентами.

4. Типологія міських ландшафтів. Поняття урбанізованого ландшафту включає у себе дві суттєво різні категорії: 1) ландшафт міста в цілому (індивідуальна урболандшафтознавча категорія), 2) власне міські ландшафти - урболандшафти, що є однаковими у різних містах (типологічна урболандшафтознавча категорія).

На основі аналізу численного літературного матеріалу та власних польових досліджень, у дисертації впорядковано урболандшафтознавчу типологію. Обгрунтовано виділення таких основних урболандшафтно-типологічних одиниць: селитебні міські ландшафти (СТЛ), транспортні міські ландшафти (ТРЛ), промислові міські ландшафти (ПРЛ), садово-паркові міські ландшафти (СПЛ) - міські ландшафти цих чотирьох типів у більшості випадків є домінуючими урболандшафтами; промислово-селитебні, складські (СКЛ), промислово-складські (ПСКЛ) та транспортно-складські, аквальні міські ландшафти - міські ландшафти цих типів здебільшого є субдомінуючими; селитебно-складські, гірсько-промислові, паразитичні (під звалищами, смітниками, шлаковідвалами тощо), агроселитебні (АСТЛ) та міські агроландшафти (АГЛ) - урболандшафти цих типів здебільшого є підпорядкованими. Для домінуючих міських ландшафтів подано докладну загальну технолого-геохімічну та атмогеохімічну характеристики. Деякі важливі типи міських ландшафтів охарактеризовано на дрібніших рівнях урболандшафтної організації. Окремо розглянуто, зокрема, селитебні маловисотні (М-СТЛ), автотранспортні (А-ТРЛ), промислові міські ландшафти підприємств чорної (МЕ-ПРЛ-Ч) та кольорової (МЕ-ПРЛ-К) металургії, машинобудування (МШ-ПРЛ), хімічних (Х-ПРЛ) і коксохімічних (КХ-ПРЛ) заводів, підприємств будіндустрії (БД-ПРЛ).