Влияние урбанизации на трансформацию почвенного покрова и условия функционирования древесных растений городов среднего предуралья (на примере г. сарапула и г. камбарки)

На правах рукописи

НИКИТЕНКО Мария Анатольевна ВЛИЯНИЕ УРБАНИЗАЦИИ НА ТРАНСФОРМАЦИЮ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА И УСЛОВИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ ГОРОДОВ СРЕДНЕГО ПРЕДУРАЛЬЯ (НА ПРИМЕРЕ Г. САРАПУЛА И Г. КАМБАРКИ) 03.00.16 - экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ИЖЕВСК - 2007

Работа выполнена в ГОУВПО «Удмуртский государственный универ ситет» на кафедре ботаники и экологии растений

Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор КУЗНЕЦОВ Максим Филиппович

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор СТУРМАН Владимир Ицхакович кандидат биологических наук, доцент ДАВЛЕТОВ Ильдар Зинурович

Ведущая организация: Ижевская государственная сельскохозяйст венная академия

Защита состоится « » 2007 г. в часов на заседании диссертационного совета КМ 212.075.05 при ГОУВПО «Удмуртский государственный университет» по адресу: 426034, г.

Ижевск, ул. Университетская, 1, корп. 1, ауд. 119. факс (3412)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Удмурт ский государственный университет» по адресу:. 426034, г. Ижевск, ул. Уни верситетская, 1, корп. 1.

Автореферат разослан « » 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук, профессор О.Г. Баранова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одной из важнейшей особенностей современности явля ется урбанизация территории стран с высокой долей городского населения. Эта проблема затрагивает и Российскую Федерацию.

Удмуртия – промышленно развитая республика, для которой проблема изучения городской среды также актуальна. Несмотря на то, что вопросам охраны окружающей природной среды уделяется большое внимание на госу дарственном уровне, практически проблемы урбанизированной среды, в осо бенности малых городов, таких как Сарапул и Камбарка, остаются недоста точно изученными. Исследование природной среды Сарапульского и Камбар ского районов проводились лишь в рамках инженерно-геологических и инже нерно-экологических изысканий при строительстве различных объектов. Не достаточное количество исследований побудило нас к комплексному иссле дованию важнейших компонентов экосистемы: почвенного покрова и расте ний – городов Сарапула и Камбарки.

Цель и задачи. Цель данной работы - изучение влияния урбанизации на трансформацию почвенного покрова и условия функционирования расте ний промышленных городов Среднего Предуралья (на примере городов Сара пула и Камбарки). Для достижения цели были поставлены следующие зада чи:

1) выявить разнообразие естественных и антропогенно преобразован ных городских почв с отражением их на картографическом материале;

2) оп ределить морфологические и агрохимические отличия данных почв;

влияние степени нарушенности естественного сложения почв на загрязнение их тяже лыми металлами (ТМ);

3) установить закономерности накопления тяжелых металлов в почвах и растениях: пространственное распределение ТМ в почвах и растениях г. Сарапула и г. Камбарки;

видовую специфику в накоплении ТМ растениями;

сезонную динамику в накоплении ТМ растениями г. Сарапула;

4) оценить роль фолиарного поглощения элементов из атмосферы с целью очи щения атмосферного воздуха от тяжелых металлов;

сравнить трансформацию и степень загрязнения почв и растений в условиях городов Сарапула и Кам барки;

5) установить взаимосвязь между содержанием ТМ в почве, атмосфере и растениях;

6) рассмотреть приемы детоксикации избыточного содержания ТМ и условия оптимизации функционирования растений в городской экоси стеме.

Научная новизна. Изучены малые города как модель урбаноэкосисте мы, установлено, что в некрупных промышленных городах наблюдается трансформация морфологических, агрохимических свойств почв, степень ко торой зависит как от возраста города, так и развития транспортно промышленного комплекса;

определены пространственное содержание и кон центрация ТМ в городских почвах разной степени нарушенности и в древес ных растениях;

выявлена видовая специфика, сезонная динамика накопления ТМ в растениях;

рассмотрено фолиарное поглощение элементов растениями городов Сарапула и Камбарки;

проведено сравнение степени трансформации почв и условий функционирования растений на территории данных городов;

выявлена зависимость содержания ТМ в растениях от свойств почв;

составлены карты загрязнения почв цинком и медью.

Практическая значимость работы. Результаты исследования могут быть использованы как основа для мониторинга состояния почв и древесных растений городов Сарапула и Камбарки. Полученные данные можно приме нять при озеленении городов, а также при планировании размещения детских садов, школ, оздоровительных учреждений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Инно вационная экономика и региональное инновационно-устойчивое развитие.

Экологические аспекты регионального инновационно-устойчивого развития» (Чебоксары, 2006), на ежегодных научных конференциях преподавателей и сотрудников УдГУ (2003-2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Антропогенная деятельность оказывает негативное влияние на раз витие городских почв. Наиболее значимыми процессами, протекающими в городских почвах, являются замещение естественного почвенного профиля антропогенным;

изменение агрохимических свойств: увеличение показателей обменной кислотности, суммы поглощенных оснований, степени насыщенно сти основаниями, уменьшение значений гидролитической кислотности, со держания гумуса, подвижного фосфора, обменного калия с увеличением сте пени нарушенности естественного сложения почв.

2. Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях городов Сара пула и Камбарки зависит от особенностей использования территории и распо ложением почв и растений относительно источников выбросов, а также от гранулометрического состава почв и вида почвообразующих пород. Концен трация ТМ в почвах и растениях зависит от возраста города, степени развития промышленно-транспортного комплекса, что подтверждается значительным превышением значений концентраций тяжелых металлов в почвах и растени ях города Сарапула по сравнению с Камбаркой, а также сравнением данных городов с г. Ижевском.

3. Поглощение ТМ растениями видоспецифично и элементос пецифично, поэтому в городах необходимо создавать разновидовые насаж дения для максимального очищения атмосферы и почв от тяжелых метал лов.

Декларация личного участия автора. Морфологическое описание, от бор проб растений и почв, химические анализы растений и почв, обработка материала выполнены лично автором.

объем диссертации. Диссертация состоит из Структура и введения, 6 глав, выводов, списка литературы, включающего 235 источника, в том числе 18 на иностранных языках, и четырех приложений. Основной текст изложен на 143 страницах, иллюстрирован 14 рисунками и 19 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Глава 1. Трансформация почв и растительного покрова в резуль тате урбанизации (обзор литературы) На основании литературных данных рассмотрены проблемы транс формации и классификации почв, функционирующих в городе;

подходы оте чественных и зарубежных авторов к данной проблеме. Описаны свойства го родских почв и их экологические функции, особенности растительного по крова в городе. Рассмотрена проблема загрязнения почвы и растений тяжелы ми металлами и различные подходы к нормированию ТМ в данных блоках экосистемы.

Глава 2. Характеристика объектов исследования В главе даны краткая социально-экономическая характеристика и опи сание природных условий городов Сарапула и Камбарки.

Глава 3. Методика проведения исследований Особенности урбаноэкосистемы, рассмотренные в гл. 1 и 2, изменение основных характеристик ландшафта, преобразование естественной структуры исследуемых компонентов, накладывают отпечаток на методику пробоотбора в условиях города.

3.1. Сбор и химический анализ почвенных и ботанических образцов.

Выбор мест пробоотбора. Особенности городской среды зачастую не позволяют обеспечить равномерность отбора проб. Используемый в боль шинстве работ координатно-сеточный метод пробоотбора приходится допол нять определенными условиями, так как отобрать пробу в намеченной точке бывает не всегда возможно. В случае необходимости смещения точки пред почтение отдается "территории со сформированным почвенным профилем" (Методические рекомендации....1999). При этом геохимический подход трансформируется в педохимический, основной характеристикой которого является приуроченность отбора к относительно равновесным почвам, а не ежегодно обновляемым грунтам. Такой подход методически более объекти вен (Капелькина, 1991, Методические рекомендации..., 1999). Разбивка терри тории на квадраты проведена с учетом масштаба обследования 1:25 000 (Ме тодические рекомендации, 1999).

Для оценки степени накопления загрязняющих веществ использовался местный фоновый уровень, так как использование "абсолютного" средне арифметического критерия (Водяницкий и др., 1995) в большинстве случаев не отражает реальную ситуацию. Объективнее использовать фон, определенный непосредственно для данной зоны (Авессаломова, 1991). Фо новый уровень может быть определен в естественных условиях по рекомен дациям ряда авторов, при расстоянии от источников загрязнения не менее 50 80 км (Цемко и др, 1980;

Махонько, 1976). Фоновый уровень для г. Сарапула определен по серым лесным почвам на элювиально-делювиальных суглинках и глинах, отобранных у деревни Оленье Болото Сарапульского района;

для г.

Камбарки – по дерново-среднеподзолистым почвам на аллювиальных отло жениях, отобранных вблизи деревни Старые Копки Кизнерского района, по скольку по составу отложений, залегающих с поверхности, и почв район г.

Камбарка достаточно близок к району п. Кизнер.

Фоновый уровень для растений определен по усредненным данным для исследуемых пород, отобранных в местах сбора почвенных образцов.

Отбор проб почвенного покрова. Отбор проб осуществлялся из по верхностного слоя почв с охватом большей части города (с акцентом на сели тебной части). Для анализа брались смешанные образцы, техника отбора об разцов стандартная (Методические рекомендации…, 1981;

Важенин, Лучина, 1982;

Вирченко и др., 1982;

Методические рекомендации...., 1987;

Кузнецов, 1997;

Методические рекомендации..., 1999).

Отбор почвенных проб по профилю, описание места закладки разреза, рельефа, растительного покрова, выделение и описание генетических гори зонтов производились по общепринятым правилам (Инструкция, 1975;

Клас сификация почв СССР, 1977;

Морфологическая характеристика.., 1997). Об разцы отбирались для общей характеристики почв и для анализа на ТМ в виде средней смешанной пробы. Инструменты, упаковка, требования к отбору и хранению аналогичны требованиям к поверхностным пробам.

Отбор проб растительного покрова. Отбор растительных образцов – листьев древесных пород, осуществлялся в конце вегетационного периода 2004-2005 годов. Для характеристики сезонной динамики в накоплении ТМ в растениях были отобраны образцы в течение месяцев с мая по сентябрь с ин тервалом в 30 дней. Из-за отсутствия систематизированных данных по рас пределению ТМ в отдельных видах, органах растений, в 2004-05 гг. проведен отбор листьев доминирующих видов древесных пород в местах расположения разрезов: в г. Сарапуле - береза повислая (Betula pendula), клен ясенелистный (Асег negundo), липа сердцелистная (Tilia cordata), тополь бальзамический (Populus balsamifera), клен платановидный (Acer plathanoides), дуб обыкно венный (Querqus robur);

в г. Камбарке - береза повислая (Betula pendula), клен ясенелистный (Асег negundo), липа сердцелистная (Tilia cordata), ель обыкно венная (Picea excelsa), сосна обыкновенная (Pinus sylvestris). Образцы отбира лись на нижних ветках взрослых деревьев и подросте, с указанием места от бора, расстояния от транспортных магистралей, вида, диаметра дерева, высо ты взятия пробы. Отбиралась смешанная проба с деревьев одного вида. Отбор проводился в сухую погоду, как минимум после 3-х дней без осадков (дня исключения занижения результатов за счет фиксируемого В.Б. Ильиным и М.Д Степановой (1981) вымывания элементов). Выделение средней пробы соответствовало ГОСТ 27262-87. При работе учитывались соответствующие рекомендации (Методические рекомендации..., 1981;

Ципленков и др., 1981;

Обухов, Плеханова, 1991). В целом для исследований было отобрано 237 об разцов растений в г. Сарапуле и 100 – в г. Камбарке.

Химический анализ почвенных и растительных образцов. В почвенных пробах были определены следующие агрохимические показатели: содержа ние органического вещества (гумуса) - по И.В. Тюрину в модификации В.Н Симакова (ГОСТ 26213-91), обменная кислотность (рН) в растворе KCI потенциометрически по методу ЦИНАО (ГОСТ 26483-85);

гидролитическая кислотность (Н, ммоль-экв/100 г почвы) – потенциометрически - по методу Каппена в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26212-91);

сумма поглощенных ос нований (S, ммоль-экв/100 г почвы) - по Каппену-Гильковицу (ГОСТ 27821 88);

расчет степени насыщенности основаниями (V, %) - по сумме поглощен ных оснований и гидролитической кислотности;

содержание подвижных форм фосфора и калия (мг/кг почвы) по Кирсанову в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26207-91).

Содержание в почвах подвижных форм Мn, Fe, Сu и Zn определялось атомно-абсорбционным методом в 1 н. НСl при соотношении почв и раствора 1:10 на приборе «Спектр-1". Выбор именно этой вытяжки обусловлен ее универсальностью. Применение ее многими исследователями в течение зна чительного времени (Иванов, 1973;

Зырин. 1976;

Коробий, 1977;

Журавлева, 1978;

Тихомиров, 1979, Ильин 1981,1988;

Ринькис, Ноллендорф, 1982;

Ники форова, 1991;

Химическое загрязнение …,1991;

Касимов, 1995;

Кайгородова, 1996;

Кадацкий. 2001;

Zheng, 1995 и др.) позволяет сравнить и обобщить ре зультаты. Относительная агрессивность экстрагента позволяет определить не столько ближний резерв данных веществ, доступных растениям, но в боль шей части потенциально доступное количество ТМ, что особенно важно в целях мониторинга (Якушевская. 1973;

Собачкина, 1982;

Ильин, 1985, 1988, 1991 и др.).

Определение содержания элементов в растительном материале прово дилось после озоления при температуре 450 0С и последующего растворения в 20% растворе HCl в соотношении массы навески к вытяжке 1:5.

Аналитические результаты, полученные в ходе исследования, были об работаны с помощью пакета программ Excel, 97 (Дмитриев, 1995, Коросов, 1996, Рылова, 2005).

Исследования проводились в Лаборатории почвенной экологии УдГУ.

3.2. Методика картографирования.

Особенности картографирования почвенного покрова, существовав шего ранее на территории города и сформированного к настоящему време ни, определены спецификой городской среды. В границах города есть тер ритории с практически ненарушенными почвами, в их пределах классифи кация и картографирование почв проводилась по стандартным методи кам (Гаврилюк, 1963;

Инструкция…, 1975;

Классификация почв СССР, 1977;

Афанасьева и др., 1979;

Александрова и др., 1983;

Евдокимова, 1987, 1988 и др.).

Распределение разрезов на территории города определялось несколь кими задачами в рамках исследования почвенного покрова: необходимостью охарактеризовать преобразованность почвенного профиля в пределах города, выделить основные типы и виды почв с последующей их характеристикой, создать современную схему классификации городских почв - все это опреде лило распределение разрезов. Предварительная подготовка к полевой работе соответствовала рекомендациям (Хакимов и др., 1997;

Методические реко мендации, 1999). Для картирования почв г. Сарапула и г. Камбарки в первую очередь были исследованы территории с почвами, сохранившими естествен ное сложение. Были исследованы парки и лесопарки, искусственные насажде ния. Для этого были заложены разрезы и использовались естественные и ис кусственные обнажения.

В рамках поставленной задачи описано 112 почвенных профиля г. Са рапула и 87 почвенных профилей г. Камбарки. В целом для картирования го рода отобрано 404 почвенные пробы поверхностных горизонтов и 693 образца из профилей в г. Сарапуле и 287 почвенных проб поверхностных горизонтов и 335 образцов из профилей в г. Камбарке.

Вследствие того, что большая часть города представлена преобразо ванными почвами, возникла проблема их классификации. Данный вопрос для всех преобразованных почв стоит довольно остро, т. к. и за пределами города существуют сильно трансформированные почвы и на первом месте среди них преобразованные сельскохозяйственными работами. Положение антропоген ных преобразованных почв в современных классификациях до настоящего времени неопределенно.

Группировка почв производилось в соответствии с классификацией М. Н. Строгановой и Н. Г.Агарковой (1992).

Каждый почвенный профиль описывался в соответствии с методиче скими указаниями по характеристике морфологического сложения почв (Куз нецов, 1997). Для характеристики морфологического сложения почв описыва лись следующие признаки: тип почвенного профиля, мощность почвы и от дельных генетических горизонтов, окраска почвы, влажность, сложение, плотность, новообразования, включения, механический состав, карбонатность (вскипание от HCl), наличие корней растений, характер перехода от одного генетического горизонта к другому.

Глава 4. Особенности трансформации почвенного покрова городов Сарапула и Камбарки и изменение условий функционирования растений Морфологическая характеристика. В результате проведенных иссле дований на территории городов Сарапула и Камбарки выделены 4 блока почв:

естественные ненарушенные, естественные нарушенные поверхностно преоб разованные (урбанопочвы), естественные нарушенные глубоко преобразованные (урбаноземы) и почвоподобные образования (урбанотехно земы).

При сравнении доли каждого типа почв от общей площади городов Са рапула и Камбарки видно, что в Сарапуле доминирующими являются антро погенные глубоко преобразованные почвы (урбаноземы), доля которых со ставляет 35%, в Камбарке – урбанопочвы, занимающие 67 % территории. До ля естественных ненарушенных почв больше в г. Камбарке, что видно на рис.

1(а,б).

I II III IV V а б Примечание: I-естественные почвы, II-комплекс антропогенных почв с преоб ладанием урбанопочв, III-комплекс антропогенных почв с преобладанием урбанозе мов, IV-территория промышленных предприятий, V-некроземы Рисунок 1. Карты-схемы современного почвенного покрова г. Са рапула (а) и г. Камбарки (б).

Для всех блоков почв обоих городов характерно переуплотнение кор необитаемого слоя, уменьшение количества почвенных животных, снижение аэрации и влажности, что неблагоприятно сказывается на условиях функцио нирования растений.

Распространение блоков почв на территории городов и степень морфо логической трансформации показывает их зависимость от площади города, численности населения, развития промышленно-транспортного комплекса.

В городе в результате антропогенной деятельности наблюдается изме нение агрохимической характеристики почв. Агрохимическая трансформа ция почв обоих городов характеризуется увеличением показателей обменной кислотности, суммы поглощенных оснований, степени насыщенности основа ниями и уменьшением значений гидролитической кислотности, содержания подвижного фосфора, обменного калия с увеличением степени нарушенности. Анализ трансформации агрохимических свойств почв горо дов позволяет сделать вывод о том, что во всех блоках почв г. Сарапула ос новные показатели выше, чем в аналогичных почвах г. Камбарки.

Данный факт можно объяснить, во-первых, более длительным и интен сивным антропогенным воздействием на почвенный покров г. Сарапула, во вторых, отличием механического состава почв городов. В г. Сарапуле преоб ладают почвы тяжелого гранулометрического состава, тогда как г. Камбарка характеризуется доминированием супесчаных и песчаных почв.

Антропогенная трансформация почв оказывает влияние не только на морфологические и агрохимические свойства, но и на содержание ТМ в них (табл. 1).

Таблица Содержание Zn, Cu, Mn и Fe в блоках городских почв г. Сарапула (1) и г. Камбарки (2) Блоки Cu, мг/кг Zn, мг/кг Mn, мг/кг Fe, мг/кг почв 1 2 1 2 1 2 1 I 14,12 0,16 110,4 6,5 405 292 2347 II 12,38 0,20 112,3 7,5 387 340 2255 III 9,83 2,47 114,1 21,9 304 216 2104 IV 11,79 1,57 91,0 13,5 241 96 2032 V 19,50 6,20 155,0 49,0 303 216 2352 Примечание: I – Естественные почвы, II – урбанопочвы, III – урбаноземы, IV – экраноземы, V- урбанотехноземы (реплантоземы).

Четкая тенденция к снижению содержания ТМ с увеличением степени нарушенности почв в г. Сарапуле наблюдается для марганца и железа за ис ключением реплантоземов, в которых концентрация названных элементов увеличивается. Содержание цинка и меди увеличивается в нарушенных поч вах. Максимальное содержание меди, цинка и железа наблюдается в реплан тоземах, что объясняется расположением данных почв в непосредственной близости к автомагистралям, а, следовательно, повышенным аэрогенным по ступлением данных металлов с выхлопными газами автомобилей. В г. Кам барке концентрации Cu и Zn в почвах увеличиваются с повышением степени трансформации почв, Mn – снижаются. В распределении железа не выявлено никаких закономерностей. Уменьшение концентрации всех элементов наблю дается в экраноземах, что связано с запечатывающим эффектом асфальтового покрытия.

Пространственное распределение ТМ в почвах г. Сарапула и г. Кам барки во многом зависит от положения почв относительно источников загряз нения. Высокие концентрации меди и цинка в почвах г. Сарапула приуроче ны к улицам Азина, К. Маркса, Раскольникова, Труда (Промышленный подрайон), где располагаются кожкомбинат, завод «Элек тробытприбор», завод имени Дзержинского, кондитерская фабрика и ряд дру гих предприятий. Кроме того, улицы Азина и к. Маркса характеризуются большой интенсивностью движения автотранспорта, что также негативно ска зывается на загрязнении почв медью и цинком (рис. 2 а,б).

а б Содержание меди (мг/кг) Содержание цинка (мг/кг) 1,5 1,5-3 3-15 15-30 11 11-23 23-115 115- Рисунок 2. Содержание подвижных форм меди (а) и цинка (б) в почвах г. Сарапула.

Высокое содержание данного элемента фиксируется также в почвах по ул. Путейской и вдоль железнодорожного полотна. Наименее загрязненными являются почвы подрайона «Дачный», в котором отсутствуют промышленные предприятия. Данный район расположен на возвышенности, что препятствует распространению загрязняющих веществ от предприятий, расположенных в центральной и южной частях города. Невысокие значения содержания меди отмечаются также в почвах микрорайона «Элеконд», и района «Нагорный».

Максимальное содержание марганца наблюдается в районе Ленин ского парка (640 мг/кг), что вполне подтверждает факт о высокой биогенно сти марганца. Также это можно объяснить увеличением кислотности почв в лесных зонах.

Распределение подвижных форм Mn в почвах города характеризуется равномерным, спокойным характером. Трудно говорить о степени загрязнен ности почв г. Сарапула марганцем, так как в целом содержание его невелико.

Загрязнение Mn характеризуется как низкое (150-300 мг/кг) и среднее (300 600 мг/кг). Самые высокие концентрации железа были обнаружены в почвах вблизи железнодорожного полотна, наименьшие – в почвах лесопарков Дач ного подрайона и Нагорного района.

Повышенное содержание ТМ в г. Камбарке отмечается для почв пой мы, что связано с высоким техногенным воздействием, поскольку данные почвы занимают крайне невыгодное положение между железнодорожным полотном и Камбарским машиностроительным заводом. Наибольшие значе ния концентраций подвижных форм элементов приурочены к центральной части города (ул. Советская, ул. Ленина, ул. Первомайская), в которой распо ложено большинство промышленных предприятий и наблюдается повышен ная нагрузка автотранспорта, а также в районе завода газового оборудования.

Наименее загрязненным исследуемыми элементами является Заплотинный район (рис.3 а,б).

а б Содержание меди (мг/кг) Содержание цинка (мг/кг) 1,5 1,5-3 3 11 11-23 Рисунок 3. Содержание подвижных форм меди (а) и цинка (б) в почвах г. Камбарки Результаты исследований позволяют сделать вывод о том, что на боль шей части территории г. Сарапула, в почвах поймы и центрального сквера г.

Камбарки превышены ПДК цинка и меди, что может объясняться как загрязнением почв от автомобильного и железнодорожного транспорта и пе ревозимых грузов, осаждением пылегазовых выбросов от предприятий г.

Камбарки и г. Сарапула, так и колебаниями природного фона. Для рассеива ния загрязняющих веществ большое значение имеет также неблагоприятный характер ветрового режима, а также дифференциация территории по геомор фологическому строению и растительности, которая создает пестрый мозаич ный характер радиационного баланса и, соответственно, неодинаковый харак тер геохимических процессов.

Глава 5. Содержание тяжелых металлов (Cu, Mn, Zn, Fe) в древес ных растениях г. Сарапула и г. Камбарки.

Распределение элементов в растениях, как и в почвах, зависит от мно гих факторов, важнейшим из которых является расположение растений отно сительно источников загрязнения. Повышенные концентрации элементов в растениях г. Сарапула приурочены к центральной и южной частям города (ул.

Азина, К. Маркса, Ленина, Путейская), что связано с повышенной антропо генной нагрузкой и значительным поступлением ТМ в окружающую среду с выхлопными газами автомобилей и промышленных предприятий, сконцен трированных в данных районах. Пространственное распространение элемен тов в растениях города Сарапула в основном соответствует распространению данных металлов в почвах. В районах с повышенным содержанием металлов в почвах, как правило, наблюдается повышенное содержание их в растениях.

Однако для растений скверов в центре города, несмотря на высокое содержа ние железа в почве, характерно пониженное его содержание, что обусловлено, вероятно, снижением доступности данного элемента для растений вследствие образования труднорастворимых форм.

Максимальное содержание меди в г. Камбарке наблюдается в растени ях, произрастающих в городских скверах вдоль улицы Советской вблизи Камбарского машиностроительного завода (2,34 мг/кг сухой массы), мини мальное – в растениях, функционирующих вдоль железнодорожного полотна (1,75 мг/кг. Городские скверы расположены в непосредственной близости к дорожному полотну, где наблюдается высокая интенсивность движения, по этому повышенное содержание меди в растениях скверов можно объяснить ее поступлением с выхлопными газами автомобилей. Содержание цинка, мар ганца и железа максимально в образцах растений, произрастающих на газонах вдоль улиц Ленина, Первомайская, Советская, К. Маркса. Минимальное со держание марганца отмечается в растениях Заплотинного района (69,67 мг/кг сухой массы). Невысокое содержание железа, несмотря на значительное со держание его в почве, характерно для растений городских скверов (347 мг/кг сухой массы) по ул. Советской, железнодорожной насыпи (313 мг/кг сухой массы) и лесного массива в Заплотинном районе (286 мкг/кг сухой массы).

Предельно допустимые концентрации элементов в растениях г. Сарапула и г. Камбарки не превышены.

Большое значение в поглощении ТМ имеет видовая принадлежность растений. Анализ 6 видов древесных пород г. Сарапула выявил отличия в содержании данных элементов в них. Максимальное содержание меди на блюдается в Acer plathanoides, высокое содержание отмечается также в Popu lus balsamifera и Quercus robur. Наибольшее содержание цинка имеют образцы Betula pendula, наименьшее - Tilia cordata. Для Acer plathanoides характерно повышенное, по сравнению с другими породами, содержание марганца, для Tilia cordata – железа. Фоновая концентрация цинка (11 мг/кг сухой массы), меди(0,64 мг/кг сухой массы) и железа (151,65 мг/кг сухой массы) превышена в растениях всех видов, марганца (138,31 мг/кг сухой массы) – в растениях Betula pendula, Acer plathanoides и Acer negundo.

Наиболее высокие концентрации тяжелых металлов в г. Камбарке от мечены для Betula pendula по содержанию цинка (95, 5 мг/кг сухой массы) и марганца (194,03 мг/кг), а также для Pinus sylvestris и Picea excelsa. В образ цах Pinus sylvestris прослеживается выраженное накопление железа (макси мальное значение равно 1060 мг/кг) и меди. К наименее накапливающим ТМ древесным породам относятся Tilia cordata и Acer negundo. Среднее содержа ние ТМ превышает фоновые значения: меди – в растениях всех видов, за ис ключением Acer negundo, в 1,1-2,8 раза, цинка – в 1,3 –3,9 раз, кроме образ цов Tilia cordata и Pinus sylvestris, железа – в растениях всех видов в 1,3 – раза. Фоновая концентрация марганца (177,5 мг/кг сухой массы) превышена лишь в образцах Betula pendula в 1,1 раза). Анализ растительности показал превышение фоновых концентраций для Fe в 51%, предельной - в 23% иссле дованных древесных пород (самое высокое значение превышает ПДК в 1, раза в образце Betula pendula), т. е. на территории города наблюдается поло жительная аномалия по железу. Это может быть вызвано аэрогенным поступ лением элемента. В образцах Betula pendula концентрация марганца выше, чем в остальных исследованных образцах древесных пород, максимальное значение выше предельной концентрации в 1,4 раза. На большинстве же тер риторий (85%) содержание Mn в растениях характеризуется как фоновое.

Таким образом, среднее содержание ТМ для совокупности древесных пород г. Сарапула и г. Камбарки повышено по сравнению фоном.

Сравнение распределения ТМ в 3 видах растений г. Сарапула и г. Кам барки выявило наличие ряда закономерностей (табл.2). Содержание цинка и марганца в обоих городах максимально в образцах Betula pendula, минималь ное – в образцах Tilia cordata. Концентрация меди имеет наибольшее значение в растительных образцах Tilia cordata. В распределении железа по породам четких закономерностей для растений сравниваемых городов не выявлено.

Сравнение содержания ТМ в древесных растениях городов Камбарки, Сарапула и Ижевска показывает увеличение концентраций элементов в расте ниях в ряду Камбарка-Сарапул-Ижевск (табл. 2). Исключение составляет кон центрация железа, наибольшее значение которой наблюдается в Tilia cordata и Acer negundo в г. Камбарке. Данный факт объяснялся ранее.

Таблица Содержание ТМ в древесных растениях г. Камбарки (1), г. Сарапу ла (2) и г. Ижевска (3) Виды расте- Zn, м Cu, мг/кг сухой массы ний 1 2 3 1 2 I 95,52 116,32 170 1,25 2,33 9, II 20,60 21,37 108 3,11 2,43 12, III 31,88 33,28 56 1,50 1,93 8, Mn, мг/кг сухой массы Fe, мг/кг сухой массы 1 2 3 1 2 I 149,90 194,03 198 400,65 163,70 II 98,24 75,03 199 432,75 379,90 III 149,81 80,29 51 437,32 290,83 Примечание: I – Betula pendula, II - Tilia cordata, III – Acer negundo.

В целом увеличение содержания ТМ в древесных растениях в данном ряду объясняется повышением антропогенной нагрузки вследствие увеличе ния численности населения, развития промышленно-транспортного комплек са.

В последнее время в связи с высокой степенью загрязнения атмосферы приобретает фолиарное поступление ТМ в растения.

Результаты проведенных исследований позволяет сделать вывод о раз ной интенсивности поглощения изучаемых элементов листовой поверхно стью растений. Об этом можно судить по показателю отношения концентра ции химического элемента в чистых листьях к его концентрации в запылен ных листовых пластинках (табл. 3,4).

Наибольшей способностью к поглощению элементов из воздуха, а, следовательно, к очищению атмосферы от тяжелых металлов, в г. Сарапуле обладает Populus balsamifera, далее в порядке уменьшения Счист./Сзапыл.

следуют Qerqus robur, Acer plathanoides, Betula pendula, Acer negundo и Tilia cordata. В г. Камбарке лучшей способностью к поглощению элементов из воз духа обладает Pinus sylvestris, далее в порядке уменьшения С чист./С запыл.

следуют Picea ехсеlsa, Betula pendula, Tilia cordata и Acer negundo. Данный факт объясняется большой площадью листовой поверхности хвойных пород и подтверждается данными Г.Д. Ярославцева и М.Ф. Ефимова, согласно кото рым сосна обыкновенная обладает наивысшей степенью пылезадерживающей способности.

Таблица Показатель отношения С чист./С запыл. для листовых пластинок древесных пород г.Сарапула.

Виды растений Среднее Марга Медь Цинк Железо значе нец ние Qerqus robur 0,85 1,49 0,16 0,89 0, Acer plathanoides 0,89 0,96 0,92 0,59 0, Betula pendula 0,97 0,95 0,56 0,77 0, Tilia cordata 0,98 0,96 0,03 0,50 0, Acer negundo 0,97 0,97 0,62 0,29 0, Populus balsamifera 0,99 0,99 0,61 0,96 0, Таблица Показатели С чист./С запыл. для листовых пластинок древесных пород г.Камбарки.

Виды растений Марга- Ср. зна Медь Цинк Железо нец чение Betula pendula 0,91 0,76 0,74 0,72 0, Tilia cordata 0,95 0,76 0,62 0,70 0, Acer negundo 0,92 0,73 0,72 0,33 0, Pinus sylvestris 0,96 0,94 0,77 0,74 0, Picea ехсеlsa 0,96 0,93 0,75 0,73 0, В сезонном распределении исследуемых элементов в древесных поро дах г. Сарапула выявлен ряд закономерностей. Содержание железа законо мерно увеличивается с мая по сентябрь. Максимальное содержание меди и цинка наблюдается в июле. Наибольшее накопление марганца наблюдается в июне. Сезонное распределение ТМ зависит как от породы, так и от самого химического элемента. Наибольшее содержание меди наблюдается в августе в образцах Betula pendula и Tilia cordata, в июле – в Quercus robur и Populus bal samifera, в мае – в образцах Acer platanoides и Acer negundo. Наибольшее со держание цинка во всех породах характерно для летних месяцев. Максималь ное накопление марганца в 4 породах наблюдается в августе и в сентябре. В сезонном распределении железа в древесных породах не выявлено никаких закономерностей: максимальное содержание данного элемента наблюдается в разных породах с мая по сентябрь.

Глава 6. Взаимосвязь между содержанием ТМ в почве, атмосфере и растениях Содержание элементов в растении зависит от комплекса факторов.

Одним из важнейших факторов, влияющих на концентрацию подвижных форм элементов, является их содержание в почве. Как правило, при повышен ном содержании элементов в почве наблюдается увеличение их концентрации в растении. Однако результаты наших исследований показывают, что данная закономерность прослеживается не всегда. Данный факт объясняется тем, что с повышением концентрации одноименно заряженных ионов снижается их подвижность, а, следовательно, доступность для растений вследствие дейст вия правила растворимости. Причиной данного явления может служить также толерантность растений к повышенному содержанию ТМ в почве.

Поступление элементов в растение во многом зависит не только от концентрации их в почве, но и от реакции среды (рН), содержания органиче ского вещества (С орг.) и элементов питания.

Большое влияние на доступность металлов растениями оказывает со держание фосфора, который является антагонистом цинка и меди и снижает активность поступления этих элементов в растения. Результаты наших иссле дований подтверждают данные многих авторов об отрицательном влиянии фосфора на доступность элементов растениям (Чумаков, 1983, Moraghan, 1984, rao et al, 1985,Kadar,1986, Peneva, Zaharieva, 1986). Отрицательные кор реляции, полученные в результате анализа зависимости поглощения марганца и железа растениями от содержания фосфора в почве, позволяют сделать вы вод о снижении их доступности для растений с увеличением концентрации фосфора.

Органическое вещество почвы также играет большую роль в снижении доступности ТМ для растений (Рэуце, Кырстя, 1986).

Увеличение обменной кислотности (рН) приводит к снижению содер жания ТМ в растении, о чем свидетельствуют отрицательные корреляции ме жду данными показателями для большинства металлов.

Активность поступления в растения цинка снижает и медь (r= - 0,22 (г.

Сарапул) и r= - 0,34 (г. Камбарка)), что согласуется с результатами исследова ний ряда авторов (Ягодин, Муравин, 1983, Кукушкин, 1987).

Содержание металлов в растениях в большой степени зависит не только от поступления их из почвы, но и от фолиарного поступления из атмо сферы. Результаты сравнения среднего содержания элементов в чистых и за пыленных образцах листьев растений г. Сарапула и г. Камбарки свидетельст вуют, что концентрации всех элементов, за исключением Fe, как в чистых, так и в запыленных образцах растений г. Сарапула выше, чем г. Камбарки. Дан ный факт позволяет сделать вывод о более высокой степени загрязнения ат мосферы г. Сарапула этими элементами в связи с повышенной техногенной нагрузкой по сравнению с г. Камбаркой. Однако содержание железа в листьях растений г. Камбарки выше, что можно объяснить комплексным воздействи ем на атмосферу города заводов «Металлист» и «КМЗ» и выбросов железнодорожного транспорта, который проходит по находящейся в непо средственной близости железной дороге. Данные объекты сконцентрированы в центре города и рассеивают выбросы на всю территорию г. Камбарки.

Отношения С чист./С запыл., по которым можно судить о способно сти растений поглощать тот или иной элемент, выше для растений г. Сарапула по цинку и меди, для г. Камбарки – по железу и марганцу.

Сравнивая способность растений к корневому поглощению элементов из почвы и к фолиарному поступлению, можно заметить, что для большинст ва пород характерна большая способность к поглощению листьями, что под тверждает данные исследований о все большем значении фолиарного погло щения в условиях нарастающего техногенного воздействия. Однако для рас тений г. Камбарки преимущественным в поглощении меди и цинка является корневое поглощение, о чем свидетельствуют большие значения коэффициен та поглощения из почвы по сравнению со значением отношения С чист./С запыл. данный факт можно объяснить повышенной кислотностью почв, бла годаря чему ТМ переходят в подвижные формы и становятся более доступ ными для растений.

Необходимо отметить, что способность растений к поглощению эле ментов зависит от видовой принадлежности. Так, для Betula pendula в обоих городах характерно преобладание корневого поглощения Zn, Cu и Mn. Для всех видов растений характерно преимущественное фолиарное поступление Fe.

Таким образом, растения большинства видов используют фолиарный путь поступления элементов, однако большую роль играет также степень ан тропогенной нагрузки, видовая специфичность и свойства самого элемента.

Выводы 1. В пределах исследуемых городов в соответствии с классификацией М. Н. Строгановой и Н.Г. Агарковой (1992) выделены естественные ненару шенные (17% в Сарапуле, 21% - в Камбарке), антропогенные поверхностно преобразованные (урбанопочвы) (35% и 66% соответственно), антропогенные глубоко преобразованные почвы (урбаноземы) (44% и 10%) и почвоподобные образования – урбанотехноземы (4% и 1%). Выявлена зависимость распро странения типов почв от возраста города, численности населения, степени развития промышленно-транспортного комплекса.

2. Агрохимическая трансформация городских почв характеризуется увеличением показателей обменной кислотности, суммы поглощенных осно ваний, степени насыщенности основаниями и уменьшением значений гидро литической кислотности, содержания подвижного фосфора, обменного калия и органического вещества с увеличением степени нарушенности.

3. Степень антропогенной трансформации почв г. Сарапула и г. Кам барки влияет на распределение в них изучаемых элементов. Четкая тенденция к снижению содержания с увеличением степени нарушенности почв наблюдается для марганца и железа за исключением реплантоземов. Для цинка характерно увеличение концентрации с увеличением степени преобра зованности почв. В распределении меди не выявлено никаких закономерно стей. Содержание Zn и Cu во всех блоках почв превышает фоновое значение.

4. Содержание ТМ в почвах и древесных растениях связано с удален ностью их от источников выбросов. В почвах и растениях г. Сарапула и г.

Камбарки превышены фоновые концентрации меди, цинка и железа. Транс порт оказывает значительное влияние как на городские почвы, так и на расте ния, доказательством чего служит высокое содержание Cu, Zn и Fe в них в пределах придорожных территорий.

5. Распределение элементов в растениях видоспецифично. В г. Сарапу ле максимальное содержание меди наблюдается в Acer plathanoides, высокое содержание отмечается также в Populus balsamifera и Quercus robur. Наиболь шее содержание цинка имеют образцы Betula pendula, наименьшее - Tilia cordata. Для Acer plathanoides характерно повышенное, по сравнению с дру гими породами, содержание марганца, для Tilia cordata – железа. Несмотря на то, что ПДК элементов не превышены, в растениях всех видов превышена фоновая концентрация цинка (77 мг/кг сухой массы), меди (0,64 мг/кг сухой массы) и железа (163 мг/кг сухой массы), в растениях Betula pendula, Acer plathanoides и Acer negundo – марганца (138 мг/кг сухой массы). Наиболее высокие концентрации ТМ в г. Камбарке отмечены для Betula pendula по цин ку и марганцу, для Pinus sylvestris - по железу и меди. Tilia cordata и Acer negundo стоит отметить как наименее накапливающие ТМ древесные породы.

Высокие концентрации цинка в почвах даже максимальные значения, близкие к ПДК, не приводят к значительному накоплению данного элемента в расте ниях.

6. Значительное влияние на содержание ТМ в растениях имеет фолиар ное поглощение. Наибольшей способностью к поглощению элементов из воз духа, а, следовательно, к очищению атмосферы, в г. Сарапуле обладает Populus balsamifera, в Камбарке - Pinus sylvestris и Picea abies. Фолиарное по глощение ТМ зависит от биодоступности элементов, поступающих из воз душных источников через листья, а также от видовой принадлежности расте ний.

7. Сезонная динамика распределения меди, цинка, железа и марганца в растениях г. Сарапула в большой степени зависит как от свойств металла, так от видовой принадлежности растений. Даже в пределах одного рода Acer имеются существенные различия в сезонном распределении ТМ.

8. Почвы и растения г. Сарапула характеризуются более высоким со держанием ТМ, чем в г. Камбарке, что обусловлено большей насыщенностью г. Сарапула промышленными предприятиями, транспортными средствами и более длительным их воздействием на городской ландшафт, особенностями гранулометрического состава почв и видом почвообразующих пород, повы шенным фоновым содержанием элементов в почвах и растениях г.

Сарапула по сравнению с г. Камбаркой.

9. Концентрация ТМ в растениях зависит от комплекса факторов, важ нейшими из которых являются их содержание в почве, химические и биоло гические свойства почвы, наличие металлов-антагонистов в почве и растени ях, содержание в атмосфере. Установлено, что загрязнение металлами почвы и атмосферы не всегда приводит к повышенному содержанию элементов в растениях, что обусловлено высокой степенью толерантности, с одной сторо ны, и снижением доступности ТМ для растений с увеличением концентрации вследствие образования труднорастворимых форм, с другой.

10. В целом экологическая обстановка по состоянию почв и растений городов Сарапула и Камбарки соответствует требуемым нормам, однако для почв имеются негативные тенденции: на значительной части исследованной территории города Сарапула и в центральной части г. Камбарки превышена предельно допустимая концентрация подвижных форм Zn (23 мг/кг) и Cu ( мг/кг). Превышение ПДК меди и цинка в данном случае могут объясняться как загрязнением почв от автомобильного и железнодорожного транспорта и перевозимых грузов, осаждением пылегазовых выбросов от предприятий г.

Сарапула и г. Камбарки, так и колебаниями природного фона.

Рекомендации 1. Для создания экологического каркаса защиты здоровья людей от по следствий загрязнения рекомендуется озеленение улиц древесными растения ми.

2. Для усиления защитного действия зеленых насаждений необходимо создавать разновидовые насаждения вдоль объектов, представляющих опас ность техногенных выбросов ТМ, поскольку поглощение ТМ видо- и элемен тоспецифично. Растения улавливают часть загрязнения, локализуя его в узкой полосе, и таким образом рассеивают неабсорбированную часть загрязнения на большую площадь, предотвращая тем самым концентрирование загрязняю щих веществ у дорог в опасных количествах.

3. Особое внимание при озеленении, планировании и строительстве детских, медицинских и оздоровительных учреждений следует обратить на районы ул. Азина, К. Маркса, Путейской в г. Сарапуле и районы ул. Ленина, Советская, Первомайская в г. Камбарке, поскольку они являются наиболее загрязненными ТМ.

4. Результаты данных исследований могут служить основой для мони торинга окружающей среды городов Сарапула и Камбарки.

Основные публикации по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

Никитенко М.А. Видовая специфика поглощения тяжелых металлов (Cu, Zn, Mn и Fe)древесными растениями г. Камбарки Удмуртской Республи ки // Вестник ИжГТУ. Вып. 2 (34), 2007. С.158-159.

Публикации в периодических изданиях, сборниках и материалах конференций:

Рылова Н.Г., Никитенко М.А., Кузнецов М.Ф. Насыпные почвы го родов Среднего Предуралья (на примере Ижевска и Сарапула)//Вестник Удм.

ун-та. Сер. Науки о земле. 2003. С.45-50.

Никитенко М.А. Изменение агрохимических свойств почв в условиях малого промышленного города (на примере г. Камбарка Удмуртской Респуб лики) //Инновационная экономика и региональное инновационно-устойчивое развитие. Экологические аспекты регионального инновационно-устойчивого развития: Материалы Всерос. Науч.-практ. Конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш.

Ун-та, 2006. С.161-164.

Никитенко М.А. Влияние урбанизации на содержание тяжелых метал лов (Zn, Cu, Mn, Fe) в почвах города Сарапула Удмуртской Республики //Инновационная экономика и региональное инновационно-устойчивое раз витие. Экологические аспекты регионального инновационно-устойчивого развития: Материалы Всерос. Науч.-практ. Конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш.

Ун-та, 2006. С.164-167.

Никитенко М.А. Содержание цинка, меди, марганца и железа в дре весных растениях в условиях малого промышленного города (на примере г.

Сарапула Удмуртской Республики)// Электронный журнал «Исследовано в России», 017/070201. С. 180-183.

http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2007/017.pdf.