Экологическая оценка серых лесных почв среднего Поволжья в условиях антропогенной нагрузки

Парфенова, Екатерина Анатольевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Экологическая оценка серых лесных почв среднего Поволжья в условиях антропогенной нагрузки
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическая оценка серых лесных почв среднего Поволжья в условиях антропогенной нагрузки"

На правах рукописи

ПАРФЕНОВА Екатерина Анатольевна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ СРЕДНЕГО ПОВОЛЖЬЯ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 2 мдр жа

Пенза - 2012

005012692

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Пензенская государственная технологическая академия", на кафедре "Биотехнологии и тех-носферная безопасность".

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор биологических наук, доцент Ефремова Сания Юнусовна.

доктор биологических наук, руководитель отдела научных проектов ООО «Агропарк» Пухальская Нина Витальевна;

кандидат биологических наук, главный специалист-эксперт Управления природных ресурсов и охраны окружающей среды Пензенской области Княжнева Елена Владимировна.

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет».

Защита диссертации состоится 22 марта 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.337.02 при Пензенской государственной технологической академии по адресу: 440039, г. Пенза, пр. Байдукова / ул. Гагарина, д. 1а/11, корпус 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Пензенская государственная технологическая академия".

Автореферат разослан 17 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Яхкинд Михаил Ильич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Почва, являясь неотъемлемой частью любой наземной экосистемы, играет важную роль в поддержании устойчивости биосферы. Она также является индикатором природных процессов, а ее состояние — результат длительного воздействия разнообразных источников загрязнения.

Внешне признаки деградации почвы заметить сложно, поэтому изменения этой составляющей биосферы не вызывают особого беспокойства. Однако функциональная и биохимическая активность почвы может служить индикатором изменения экологической ситуации в целом.

В работах многих исследователей биологическая оценка была показана при высоких уровнях (более 10 ПДК) загрязнения почв (Звягинцев, 1976-1991; Денисова, 2005, 2006; Девятова, 2005, 2006; Егорова и др., 1991, 1996), а исследования невысоких уровней воздействия на почвенный покров в литературе отсутствуют. В связи с этим, в условиях лесостепи Среднего Поволжья актуальным является подбор биоиндикаторов загрязнения почв тяжелыми металлами, которые можно эффективно использовать для мониторинга экологической ситуации с использованием достаточно точных и нетрудоемких методик для выявления самых ранних стадий загрязнения.

Целью исследований является выявление закономерностей изменения состояния серых лесных почв Среднего Поволжья в условиях антропогенного загрязнения, а также возможностей применения биологических показателей в индикации состояния почвенного покрова.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Определить содержание тяжелых металлов (ТМ) Pb, Cd, Zn, Cu, Ni в почвенном покрове и оценить вклад различных источников их поступления.

2. Изучить закономерности изменения химических свойств серых лесных почв при загрязнении ТМ в зонах с различным уровнем загрязнения.

3. Выявить биологические показатели для использования в индикации загрязнения тяжелыми металлами серых лесных почв.

4. Определить содержание тяжелых металлов в продукции овощеводства, выращенной на территориях, сопредельных с автодорогами, и охарактеризовать санитарно-гигиеническое качество выращенной продукции.

5. Изучить значение зеленых насаждений в снижении негативного воздействия на почвенный покров.

Научная новизна. Впервые, в условиях лесостепи Среднего Поволжья на примере Пензенской области проведено комплексное многокомпонентное исследование, позволившее оценить загрязнение тяжелыми металлами серых лесных почв в результате воздействия транспортного и промышленного комплекса.

Проведен учет фоновых значений валовых и подвижных форм ТМ (РЬ, Cu, Zn, Cd) в почве и их изменений под воздействием техногенного фактора. Установлено, что почвы лесостепи Среднего Поволжья характеризуются значительной вариабельностью содержания валовых и подвижных форм ТМ. Изучено изменение основных свойств серых лесных почв в результате длительных

техногенных воздействий и оценена устойчивость почв к деградации в этих условиях. Выявлены закономерности изменения биологической активности серых лесных почв в условиях загрязнения ТМ. Установлено, что микробиологическая и ферментативная активность почв могут быть использованы как диагностические показатели экологического состояния почв, испытывающих интенсивное антропогенное влияние.

Практическая значимость исследований. Данные о содержании ТМ (РЬ, Ъл, Сс1, Си) в почвах, полученные в ходе исследования, могут быть использованы при проведении экологического мониторинга на территории г. Пензы и служить критерием оценки степени антропогенной нагрузки.

Показана реальная возможность использования показателей микробиологической и ферментативной активности серой лесной почвы для оценки экологического состояния.

Выявленные закономерности могут быть использованы при оценке качества городской среды, для определения зон экологического бедствия, разработки стратегии рационального использования территории, оценки эффективности природоохранных мероприятий.

Реализация и внедрение результатов исследований. Теоретические положения и результаты исследований внедрены и используются в учебном процессе на кафедре "Биотехнологии и техносферная безопасность" ПГТА и включены в содержание учебных пособий "Мониторинг окружающей среды", "Экологическая экспертиза, оценка воздействия на окружающую среду", "Методы и приборы контроля окружающей среды, и экологический мониторинг". Результаты работы в части применения биологических показателей экологического состояния почв (микробный комплекс и активность ферментов) в практике экологического мониторинга используются в производственном процессе лаборатории биомониторинга и биотестирования РЦГЭКиМ по Пензенской области ФГУ ГосНИИЭНП.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Зависимость содержания тяжелых металлов (РЬ, Хп, Сс1, Си) в верхнем плодородном слое серых лесных почв от расположения относительно источника выбросов (промышленно-транспортного комплекса).

• Оценка влияния исследованных источников техногенного воздействия на химические и биологические свойства серых лесных почв.

• Обоснование использования микробиологических и биохимических показателей экологического состояния почв при оценке воздействия загрязнения почв ТМ, биомониторинге и биодиагностике почв.

• Зависимость содержания ТМ (РЬ, Ъл, С<1, Си) в почве при воздействии выбросов транспорта от наличия зеленых насаждений.

• Зависимость содержания ТМ (РЬ, Ъп, Сс1, Си) в овощной продукции от содержания их в почве.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии и сис-

темы в науке, образовании, промышленности" (Пенза, 2009); Международной на-учно-пракгической конференции "Агроэкологические аспекты устойчивого развития АПК" (Брянск, 2010); Международной научной конференции "Вопросы повышения урожайности сельскохозяйственных культур" (Иваново, 2011); Международной научной конференции "Математические методы в технике и технологиях" (Киев, 2011); 5-й Всероссийской научно-практической конференции "Состояние среды обитания и фауна охотничьих животных России" (Москва, 2011).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 11 публикациях, включая 3 работы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Научному руководителю принадлежит разработка концепции решаемой проблемы и постановка задач исследования. Автор лично проводил экспериментальные исследования, обрабатывал, интерпретировал и обобщал полученные результаты, формулировал выводы.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав и выводов. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 28 таблиц, 16 рисунков, 2 приложения. Список использованной литературы включает 215 источников, в том числе 17 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, раскрыты научная новизна и практическая значимость. Представлены положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Тяжелые металлы в почве: поступление, трансформация, миграция, биоиндикация (обзор литературы)

Проведен анализ современного состояния изученности проблемы влияния промышленного и транспортного загрязнения на свойства серых лесных почв и методов их диагностики, на основе которого определены цели и задачи исследования.

Глава 2. Природные условия и методы исследования

Рассмотрены природные условия на территории лесостепи Среднего Поволжья, приведены характеристики почвенного покрова, климата и растительности. Сформулированы объект и методы исследования.

В соответствии с поставленными задачами, основным объектом исследований явился почвенный покров (естественные и техногенные ландшафты). Почвенный покров представлен, в основном, серыми лесными почвами различного гранулометрического состава. Для его изучения на территории г. Пенза и Пензенской области были исследованы почвы различной степени загрязнения, было проведено зонирование точек пробоотбора на зоны по территориальному принципу: 1 - промышленная ("Пензмаш", ТЭЦ-1); 2 - транспортная (федеральная и областная автомагистраль); 3 — агроландшафты ("Агрокомплекс Тер-новский", п. Леонидовка).

Исследования проводились стационарными методами наблюдений в сочетании с вегетационными опытами. Для оценки геохимического состава верхнего слоя почв исследуемой зоны образцы отбирали согласно ГОСТ 17.4.4.0284. Места отбора проб определяли согласно Методическим указаниям 2.1.7.73099. Отбор образцов почв производили на расстоянии 2, 5, 10, 50,100, 500, 1000, 2000 м от источника загрязнения буром Малькова. На каждом из расстояний определяли 3 точки отбора проб, находящиеся на расстоянии 3-4 м между собой. Одна смешанная проба составлялась из 5 точечных, отобранных с глубины 0-15 см общим весом 400 г. Всего было отобрано 535 образцов верхнего слоя почвы. В качестве контроля использовались образцы почвы, отобранные на территории Ахунского лесничества.

Определение ТМ в образцах почвы проводили в зависимости от источника загрязнения, в сравнении с фоновыми значениями на незагрязненной почве. В качестве фона была выбрана серая лесная почва такого же гранулометрического состава, с примерно одинаковым содержанием гумуса (2,2-2,8%), рНКС1 (5,1-5,25), находящаяся в 20 км от мест исследования.

Почва и растения подвергались анализу в лаборатории ГЦАС "Пензенский". Все наблюдения, анализы и учеты проводили общепринятыми методами:

• содержание гумуса по ГОСТу 26213-91; рНсол потенциометрически (ГОСТ 26483-85); сумму поглощенных оснований - по Каппену-Гильковицу (ГОСТ 27821-88); гидролитическую кислотность - по Каппену (ГОСТ 26212-91);

• активность ферментов, катал азы - по Джонсону и Темпле (1964), проте-азы - по Леду и Батлеру (1972), инвертазы - по Чундеровой (1971), уреазы - по Щербаковой (1983), в изложении Хазиева (1990);

• общая численность микроорганизмов (Звягинцев,1980);

• валовые формы ТМ определяли в 1,0 Н НС1 на атомно-абсорбционных спектрофотометрах "Спектр-5-1" и AAS. Подвижные формы РЬ и Cd определяли в ацетагно-аммонийной вытяжке с рН = 4,8 по методике РД 52.18.191-89.

Статистическая обработка экспериментальных данных осуществлялась методами корреляционного и регрессионного анализа (Доспехов, 1985) с использованием пакетов прикладных программ для статистической обработки Excel и Statistica7.0.

Глава 3. Оценка антропогенной нагрузки на серые лесные почвы региона

Проведенная оценка антропогенной нагрузки на исследуемый объект показала, что источниками загрязнения окружающей среды продолжают оставаться промышленность и автомобильный транспорт.

В последнее десятилетие идет прогрессивный рост количества автотранспорта (в среднем на 30-40% ежегодно). Загрязнению от автотранспорта подвержены не только пространства, прилегающие к автодорогам (100-200 м), но и места проживания людей и другие территории (дворы, автостоянки, детские площадки). Динамика роста количества автотранспорта в Пензенской области представлена на рис. 1.

500

д- 400

| 300 о

о- 200 2

>- 100 о

Рис. 1. Динамика роста количества единиц автотранспорта, тыс./год

Экстремального уровня загрязнения атмосферного воздуха в регионе за последние годы не наблюдалось, но в целом отмечается тенденция к увеличению уровня загрязнения стационарными источниками на 7,5 % (рис. 2).

зо

Н 20

3 15 10 5 0

Рис. 2. Валовые выбросы загрязняющих веществ промышленными предприятиями Пензенской области, тыс. т/год

Доля выбросов от автотранспорта в области составляет 70 %. За счет увеличения количества единиц автотранспорта в г. Пензе выбросы от них выросли с 143 тыс. т / год в 2005 г. до 194 тыс. т / год в 2010 г., из них 85 % составляют выбросы легковых автомобилей (рис. 3).

Рис. 3. Валовые выбросы загрязняющих веществ от автотранспорта, тыс. т/год

Наиболее опасными загрязняющими веществами в составе выбросов автотранспорта и промышленных объектов являются ТМ, среди которых свинец, кадмий и цинк, так как они относятся к первому классу опасности. Попадая в почву, они аккумулируются в большей степени, чем в атмосфере и природных водах, а постоянное поступление даже в малых количествах может привести к накоплению.

и 1 н 1

— — —

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

—1-1-1—

2000 2001 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Однако, несмотря на возросший уровень техногенной нагрузки, изученность загрязнения почв тяжелыми металлами в регионе остается низкой.

Транспортное загрязнение обнаружено вдоль дорог федерального и областного значения. Пенза является крупным железнодорожным узлом, с юга к городу подходит линия Юго-Восточной железной дороги; на север, запад и восток отходят линии Куйбышевской железной дороги.

Изучение влияния железнодорожного транспорта в пригородной зоне показало, что на расстоянии 5-20 м от железнодорожного полотна в слое почвы 0-15 см отмечается повышенное содержание РЬ, Си, и №. Превышение предельно-допустимых концентраций (ПДК) установлено по кадмию в 1,7-6,7 раз, свинцу - в 1,33,0 раза, цинку - в 1,8 раза, меди - в 1,4-1,9 раза, никелю - в 1,8 раза (рис. 4).

120 100

Ё. 40 «

о 20 0

РЬ

расстояние, м

10 2) 50 расстояние, м

5 10 20 Я) расстояние, м

г , Си |

г =1 1 -

-1 в 1 _ Т

— —

10 20 Я) расстоянием

150 ь но 2 120 к 100

I 80

5 60

О.

я 10

8 20

V: :

■

¥ , Й , ||

10 2) 50 расстояние, м

-ПДК

Рис. 4. Содержание ТМ в серой лесной почве в зависимости от удаления от железнодорожного полотна, мг/кг. Планки погрешностей при р = 0,05

Вдоль автотранспортных магистралей в результате интенсивного движения транспорта образуются своеобразные техногенные аномалии. В черте города Пензы проходит Федеральная автомобильная дорога М5 "Урал" (Москва — Челябинск), от города отходит автодорога 1Р-209 Пенза - Тамбов, а в нескольких километрах от Пензы проходит автодорога Саратов - Нижний Новгород. Сеть автомобильных дорог области составляет 9523 км. Плотность автодорог общего пользования с твердым покрытием составляет 151 км на 1000 кв. км территории, их удельный вес - 99,95 %. Выхлопные газы автомашин дают основную массу свинца, износ шин - цинка, дизельные моторы - кадмия.

Для оценки влияния загрязнения автомобильного транспорта на состояние почвенного покрова нами в течение 2007-2009 гг. проведено исследование содержания ТМ (РЬ, Ъл, Си, Сс1, №) в образцах почвы территории, прилегающей к федеральной автомагистрали М5 "Москва - Челябинск".

Результаты свидетельствуют о том, что большая часть ТМ находилась в пределах и ниже допустимых концентраций (рис. 5), вместе с тем в непосредственной близости к автомагистрали отмечалось превышение ПДК по Си до 3 раз, по N1 - до 1,6 раз и незначительное превышение по Сё и РЬ - в 1,1 раза.

Сс1 -.-.-—

■ ■

расстояние, м

РП -4-1

расстояние, м

-ПДК

расстояние, м

Рис. 5. Содержание ТМ в почве в зависимости от удаления от кромки автомагистрали, мг/кг. Планки погрешностей при р = 0,05

Валовое содержание ТМ в почве является фактором емкости, отражающим, в первую очередь, потенциальную опасность загрязнения продукции. В связи с этим А. Финк (1982) рассматривает шкалу нормирования по количеству валовых форм ТМ как сугубо приблизительную.

Результаты анализа почвенных проб, отобранных с прилегающей к АЗС территории, на содержание в ней ТМ (РЬ, Си) показали (рис. 6), что в серой лесной почве содержание подвижных форм превышает ПДК по меди в 1,38 раза, свинца - в 3,46 раза. Содержание цинка ниже уровня ПДК в 2,4 раза.

и 25

5 20 2

:is S

га 10

Ш Содержание в почве □ ПДК

1 1 S

¡ta - -и г

Рис. 6. Содержание подвижных форм ТМ в почвенных образцах территории АЗС, мг/кг. Планки погрешностей при р = 0,05

Промышленная зона. Газопылевые выбросы предприятий создают мощные техногенные потоки токсичных веществ на поверхность почв и растений, вызывая их загрязнение.

Исследования, проведенные в районе влияния промышленных объектов, показали, что почвенный покров незначительно загрязнен ТМ (РЬ, Zn, Си, Сс1), содержание их в почве не превышает ПДК (рис. 7).

р £

í 3 -Н

РЬ

ümüzj

50 О 1000

расстояние . м

S 20

Э 15

I ID

''I'!

П--ИЯ

3,5

fe 3

* 2.5

3 2

* ¿

1 1.5

f 1 0.5

500 1000

paccTQHiw. м

0.8 0.6 o,. 0,2

-fh

■A

5CO 1COO расстояние, м

Cll

-ПДК

500 1000 расстояние, м

Рис. 7. Содержание подвижных форм ТМ в образцах почвы в зоне влияния промышленности, мг/кг. Планки погрешностей при р = 0,05

Исследования влияния объекта энергетики показали (рис. 8), что на различных расстояниях от него содержание цинка, марганца и меди не превышают ПДК, но на расстоянии 50 м от источника содержание ТМ было выше, чем при удалении от этих объектов. Содержание свинца, кадмия и кобальта превышало ПДК в 1,6-2,0 раза.

Содержание свинца, мг/кг

0.25 0,5 0,75 1 1,25 Содержание кадмия,мг/кг

0,1 02 0,3 0.4 0,5 0.6 0,7 0.8 0.9 Содержание меди, мг/кг

о 100

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3,5 4 Содержание цинка, мг/кг

0 2,5 5 7.5 10 12.5 15 17,5 20 Содержание марганца, мг/кг

Рис. 8. Содержание подвижных форм ТМ в почве в зависимости от расстояния (м) от ТЭЦ-1. Планки погрешностей при р = 0,05

Агроландшафты города и области в определённой мере несут антропогенную нагрузку, поверхностный слой почвы подвергается как локальному, так и региональному загрязнению вследствие воздушного переноса поллютантов на большие расстояния. Происходит загрязнение почвенного покрова промышленных и сельскохозяйственных территорий (Кудло, 1976; Орлов, Малинина, Мотузова, 1991; Амосова, Трофимов, Суханова, 1999; Малина, Шленская, 1999; Прокошева, 2000).

По эколого-токсикологической оценке на 01.01.2010 г. пахотные почвы области имеют, в основном, низкий и допустимый уровень валового содержания ТМ, однако не всегда соответствуют необходимым требованиям для выращивания экологически чистой продукции.

Анализ материалов ГЦАС "Пензенский" по 15 реперным объектам почв области и опубликованных статистических данных на 01.01.2010 г. свидетельствует о негативной тенденции в изменении содержания ТМ. Отмечается значительное варьирование всех изученных элементов, наименьшая вариабельность характерна для ртути, содержание которой превышает минимальное в 1,8 раза, наибольшая для цинка - в 12,7 раз. Полученные данные характеризуют проблемную экологическую ситуацию по фоновому загрязнению ТМ почв области.

Несмотря на то, что среднее содержание ТМ еще далеко от экстремального, скорость их аккумуляции вызывает беспокойство (табл. 1). Поэтому необходимо оценить влияние сельскохозяйственного использования почв на процессы аккумуляции ТМ в верхних горизонтах пахотных почв.

Табл. 1. Содержание ТМ в почвах области за период 1990-2010 гг.

Элемент Содержание, мг/кг почвы ПДК, мг/кг

1990 г. 2000 г. 2010 г.

Мп 319 323 470 1500

гп 41 43,17 45,7 110

РЬ 14 14,65 14,9 32

Си 13 13,97 14,7 100

№ 37 38,8 38,6 85

НЕ 0,006 0,0153 0,0198 2,1

С<1 0,19 0,2283 0,232 5,0

В настоящее время отмечается увеличение содержания ТМ в пахотном слое почв, которое возрастает в ряду С(3 < Н§ < № < Си < РЬ < Тл. < Мп и изменяется от 0,0090 до 0,4 мг/кг почвы в год. Эти данные согласуются с исследованиями, выполненными для почв Центрального черноземного округа, в которых также отмечают рост загрязнения региональных почв (Глазовская, 1988; Щербаков, Васенев, 1996).

В пригородных овощеводческих хозяйствах, в связи с их территориальным расположением в непосредственной близости к городу и спецификой производства, возрастает антропогенная нагрузка на почвы, и создаются предпосылки для обострения экологической ситуации.

Анализ данных содержания ТМ в агроландшафтах ("Агрокомплекс Тер-новский") показал, что в большинстве почвенных образцов количество ТМ не достигало гигиенически опасного уровня (рис. 9).

[□Содержание в почве и Фон вПДК

Рис. 9. Содержание ТМ в почвенных образцах агроландшафта, мг/кг почвы.

Планки погрешностей при р = 0,05

Вместе с тем установлено превышение фона по Мп, РЬ, Ъх\, Си, Н§, что позволяет оценить обстановку как достаточно опасную, ввиду того, что в почве аккумулируется не один, а несколько металлов, что говорит о полиметаллической форме аккумуляции.

Таким образом, приведенные данные позволяют заключить, что серые лесные почвы, расположенные вблизи источников загрязнения, способны накапливать поллютанты в количествах, близких к ПДК и даже превосходящих их. Также почвы характеризуются значительной вариабельностью содержания валовых и подвижных форм ТМ.

Глава 4. Изучение влияния техногенного загрязнения на химические свойства почвы

В настоящее время известно, что большинство выбросов сосредотачивается на поверхности почвы, где происходит их постепенное накопление, приводящее к изменению её физико-химических свойств (Гармаш, Графская, Гармаш, 2002).

Исследование химических свойств светло-серых супесчаных почв в зоне влияния промышленного объекта показало, что существенных различий по содержанию гумуса в зависимости от антропогенной нагрузки не обнаружено.

Содержание обменно-поглощенного Са составляет 7,1-7,6 мг-экв/100 г почвы. Доля Са составляет 82-80 % в сумме поглощенных оснований. Гидролитическая кислотность - 3,0-3,3 мг-экв/100 г почвы. Значение рНш снижалось с 4,9 до 5,1 ед. с удалением до 500 м (табл. 2).

Анализ изменений химических свойств светло-серой почвы в зависимости от удаленности от объекта выбросов теплоэнергетики показал, что наиболее значимые изменения в кислотно-основных свойствах почвы прослеживаются на расстоянии 100-200 м. (табл. 3).

Табл. 2. Химические свойства почвы (слой 0-15 см) в зависимости от расстояния от промышленного объекта ("Пензмаш")

Расстояние, м Гумус, % Са мё Нг рНш рНнго

мг-экв/100г почвы

50 2,28 7,1 1,6 3,3 72,7 4,9 5,6

100 1,92 4,9 1,4 3,1 75,0 5,1 5,8

500 2,39 7,6 1,9 3,0 76,0 5,1 5,8

НСР05 Ра<Ро5 0,26 0,14 0,29 - 0,19 0,24

Табл. 3. Химические свойства почвы (слой 0-15 си) в зависимости от расстояния от

ТЭЦ-1

Расстояние, м Гумус, % Са ме Нг V, рНка рНшо

мг-экв/ЮОг почвы %

50 2,33 7,13 1,58 3,44 71,7 4,75 5,32

100 2,31 7,22 1,63 3,32 72,7 4,89 5,59

500 2,35 7,48 1,84 3,07 75,2 5,08 5,77

НСР05 Р„<Ро5 0,29 0,13 0,31 - 0,23 0,27

С удалением от источника загрязнения увеличиваются показатели рНга и рНН!С происходит снижение кислотности почвенного раствора.

Содержание обменно-поглощенного Са по сравнению с почвой, не испытывающей кислотного воздействия, снизилось на 0,5 мг-экв/100 г почвы, Mg -на 0,36 мг-экв/100 г почвы. В виде тенденции различия сохраняются до расстояния 500-1000 м от объектов выбросов.

Анализ данных по химическим свойствам почвы в зависимости от удаления от объектов выбросов показал, что обменно-поглощенный магний теряется интенсивнее, его потери на расстоянии 50 м от источника выброса составили 18,56 %, а Са- 6,55 %, т. е. в 2,8 раза выше. Уровень гидролитической кислотности возрос на 0,34-0,46 мг-экв. Указанные изменения вызвали снижение степени насыщенности основаниями на 3,5-4,5 %.

Изучение химических свойств светло-серой супесчаной почвы в зоне влияния автомагистрали показало, что они определяются уровнем воздействия техногенного загрязнения, которое зависит от расстояния до источника загрязнения. По мере приближения к дороге возрастает как актуальная, так и обменная кислотность (табл. 4).

Табл. 4. Изменение химических показателей почвы (слой 0-15 см) в зависимости от удаления от автомагистрали

Расстояние, м Гумус, Б Нг V, рНкс1 рНшо

% мг-экв/ЮОг %

5 - 12,4 3,67 70Д 4,58 5,32

50 2,33 12,9 3,44 78,9 4,89 5,89

100 2,31 13,1 3,32 79,8 4,96 5,72

1000 2,40 14,2 3,02 82,9 5,11 5,85

НСР05 - 0,081 0,031 0,529 0,024 0,023

Показатель рНКС1 возрастал с 4,58 ед. при 5 м от кромки до 5,11 ед. на контроле. Аналогично изменялись актуальная и гидролитическая кислотности. Сумма поглощенных оснований изменялась от 14,2 до 12,4 мг-экв/100 г почвы в зависимости от удаления от кромки автомагистрали. Существенно снижалась степень насыщенности почв основаниями с 82,9 до 70,2 % соответственно. Содержание гумуса в почве по мере удаления от дороги до 1000 м увеличилось на 0,07 % по сравнению с количеством его в образце, взятом в 5 м от объекта.

Таким образом, антропогенное воздействие вызывает снижение сумм поглощенных оснований и рост кислотности почвенного раствора. Это проявляется на расстоянии до 2 км от источника выброса. Согласно данным корреляционного анализа, между уровнем кислотности почвы рНкс1 и удаленностью имеются корреляционные зависимости, которые описаны соответствующими уравнениями (табл. 5).

Табл. 5. Результаты корреляционного анализа зависимости влияния ТМ на реакцию почвенного раствора

Зона исследования Уравнения корреляции для рНка

«Пензмаш» 7 = 4,6909*и-и"" Я = 0,73

ТЭЦ-1 > = 4,2704*°'1Ш Я = 0,98

автомагистраль у = 4,4699л:и'и2и' Я = 0,98

При помощи корреляционного анализа было установлены зависимости влияния ТМ на реакцию почвенного раствора и гумус серой лесной почвы, которые описаны соответствующими уравнениями (табл. 6). Данные анализа свидетельствуют о том, что изменение химических характеристик почвы тесно связано с концентрацией ТМ.

Табл. б. Результаты корреляционного анализа связи концентрации ТМ и показателей химических свойств почвы

ТМ Гумус рНкс!

РЬ у = -21,672*+ 55,746 Я = 0,96 у = -0,1022х + 5,4864 Я = 0,96

са у = -0,5672х +1,8076 11 = 0,39 у = -1,2261* + 5,5711 Я = 0,79

гп >> = -38,015*+ 112,31 Я = 0,87 у = -0,0542х + 6,2393 Я = 0,99

Си у = 5,0672* -9,6276 И = 0,74 у = 0,1021* + 4,7555 11=0,30

Данные анализа свидетельствуют о том, что изменение химических характеристик тесно связано с концентрацией ТМ (гумус - РЬ > Хп > Си > С(1; рНКС1 - Хп > РЬ > Сс1 > Си).

Глава 5. Показатели биологического состояния почв в диагностике загрязнения объектов исследований

Экологический или биологический подход при оценке состояния экосистем рассматривает экосистему как единое целое, и оценка её состояния в условиях антропогенных нагрузок заключается в определении эффекта от внешнего воздействия. Показателями состояния при этом являются не уровень содержания поллютантов в компонентах экосистемы, а характеристики её микробиоты, регистрируемые методами биоиндикации.

Многочисленные микроорганизмы, населяющие почву, относятся к различным систематическим группам. Основная масса почвенных микроорганизмов - бактерии, актиномицеты, грибы и т.д. Показатель общей численности основных групп микроорганизмов характеризует потенциальный запас микроорганизмов и может служить показателем биологического состояния, применяемым в экологической оценке почв.

Результаты исследования по изучению влияния ТМ на микробное сообщество почвы показали, что численность основных их групп (аммонификато-ров, иммобилизаторов азота, олигонитрофилов, целлюлозоразрушающих, ак-тиномицетов) была гораздо ниже в почвенных образцах техногенных ландшафтов, чем естественных (табл. 7). Численность почвенных грибов значительно варьировала на контроле и в опытных образцах с объектов, но тенденции к ее снижению также просматривались.

Табл. 7. Численность основных эколого-трофических групп микроорганизмов, тыс. / 1 г абсолютно сухой почвы (слой 0-15 см)

Место сбора образца Аммони-фикаторы Иммоби-лизаторы азота Олиго-трофы Грибы Актиномицеты Целлюлозо-разрушающие аэробы

Контроль, лес 7524,05 9698,40 13873,0 35,9 517,22 105,4

ТЭЦ 4531,24 5742,72 7021,7 33,8 481,42 68,7

Промышленная зона 4253,52 2600,41 1900,8 31,9 425,41 60,6

Автомагистраль 2268,81 4551,27 3529,7 33,8 405,43 49,0

АЗС 2712,33 3176,37 3287,6 34,1 463,27 45,9

НСРоз 215,09 803,82 511,54 0,77 177,54 4,57

Мицелиальные формы почвенных микроорганизмов оказались более устойчивыми к воздействию вредных ингредиентов, ингибирование их развития

наблюдали на прилегающей территории промышленного предприятия, автомобильной магистрали, где бактериальные формы снижали свою численность уже на порядок. Среди целлюлозоразрушающих микроорганизмов 90-95% составляли актиномицеты, но чувствительность этой группы была значительно выше, чем всего пула актиномицетов в почве.

Таким образом, установленный факт достоверного снижения численности микроорганизмов под влиянием загрязнения ТМ серых лесных почв можно использовать в качестве показателя диагностики экологического состояния ландшафтов.

Также для оценки антропогенной нагрузки на почву поллютантов оперативными являются биохимические показатели, дающие сведения о динамике важнейших ферментативных процессов в почвах (Казеев, 2001; Колесников, 2004).

Изучение ферментативной активности серых лесных почв (2006-2008 гг.) в зоне влияния автомагистрали М5 на расстоянии 1000 м показало, что антропогенное влияние приводило к ингибированию активности, обнаружено снижение каталазной активности на 54,6 %, уреазной - на 37,5 %; протеазной - на 35,7 %; инвертазной - на 24 % по сравнению с серыми лесными почвами такого же химического состава, не испытывающими техногенного прессинга.

Анализ данных ферментативной активности показал, что активность ката-лазы оказалась наиболее чувствительной к загрязнению тяжелыми металлами (РЬ, Си, N1, С(1, 2п) серой лесной почвы (рис. 10).

Протеаза

Инвертаза

Уреаза

Каталаза

—тех ногенные ландш афты .

~естесткенные ландшафты

Рис. 10. Ферментативная активность серых лесных почв: 1 - 2006 г., 2 - 2007 г., 3 -2008 г., 4 - 2008 г.; инвертаза- мг глюкозы на 100 г почвы, каталаза - в мл 0,1 Н КМп04, протеаза - в мкмоль лейцина на 1 г почвы, уреаза - мг NH, на 100 г почвы за 20 ч

Учитывая, что в почве аккумулируется не один, а несколько металлов, рассчитаны показатели суммарного загрязнения почв, и была рассмотрена связь активности ферментов с этими показателями.

Коэффициенты, полученные в результате корреляционного анализа их связи, подтверждают достоверность полученных результатов исследования серой лесной легкосуглинистой почвы (табл. 8).

Табл. 8. Уравнения зависимости показателя суммарного загрязнения Ъс и активности почвенных ферментов

Инвертаза 3* =-5,4091^+ 128,88*-741,89 Я = 0,53

Протеаза у = -3,1446х* + 75,412* - 437,06 Я = 0,67

Уреаза у = -3,291 Зх1 + 80,109л: - 472,17 Я = 0,88

Каталаза у = 0,1989^ - 4,8594* + 31,499 Я = 0,98

По степени устойчивости к загрязнению тяжелыми металлами почвенные ферменты располагаются следующим образом: каталаза > уреаза > протеаза > инвертаза.

Таким образом, ферментативная активность серых лесных почв зависит от степени и вида антропогенной нагрузки, наиболее чувствительной к загрязнению оказалась каталаза. Установленные связи ферментативной активности почв с показателем суммарного загрязнения серых лесных почв подтверждают возможность использования показателей активности почвенных ферментов в индикации загрязнения почв тяжелыми металлами.

Глава 6. Влияние загрязнения почвы ТМ на овощные культуры

Почвы, достигшие ПДК по валовому содержанию ТМ - никеля, меди, свинца, кадмия, несомненно, являются токсичными, что позволяет предположить миграцию ТМ по пищевым цепям, представляющую реальную опасность здоровью населения. В связи с этим, следует обратить внимание на экологическое состояние почв населенных пунктов, где часто огороды располагаются в непосредственной близости к транспортным магистралям различного значения. Связующим звеном, через которое ТМ попадают в организм человека, являются растения, поэтому для обоснования выводов необходимо проведение анализов проб овощной продукции, выращенной на огородах в транспортной зоне.

Изучение содержания ТМ в овощах показало, что изучаемые виды обладают неодинаковой способностью поглощать и накапливать их. Так, содержание РЬ, Zn, Си, № в капусте намного выше, чем содержание этих же элементов в томатах (рис. 11). Накопление С<1 также зависело от вида растений: томаты аккумулировали кадмия в 1,5 раза выше, чем капуста при выращивании в одинаковых условиях.

На содержание поллютантов также влияет расстояние от кромки автодороги. Так, на расстоянии 5-50 м содержание всех ТМ (РЬ, Хп, Си, N1 С<1) было выше, чем на уцалении. Превышение ПДК наблюдалось только по свинцу и кадмию. При высоком уровне РЬ в почве он накапливается в больших количествах. При одинаковом содержании РЬ в почве томаты незначительно накапливали РЬ, а капуста аккумулировала его в количествах, в 1,5 раза превышающих ПДК.

расстоя ни е , м

ян ие,м

2п

1- 1 %

, ш

расстояние,м

100 500

расстояние, м

№

1 4 'Л 1

'(Л

4 4 й

1 %

г/т

-й-пдк

■ ■■топни* , м

Рис. 11. Содержание ТМ в продукции овощеводства (капуста и томат), мг/кг. Планки погрешностей при р = 0,05.

Между содержанием ТМ в овощных культурах и их содержанием в почве выявлены корреляционные зависимости, которые указывают на тесную связь влияния количества металлов в почве на количество аккумулированного растениями металла (табл. 9).

Табл. 9. Уравнения зависимости влияния количества металлов в почве на количество аккумулированного растениями металла

ТМ капуста томаты

РЬ у = 0,4897е Я = 0,98 у = 0,1588е Я = 0,84

Си 3;=1!4128е4)№ Я = 0,98 у = 0,4556е4Ш* Я = 0,90

гп Я = 0,93 >- = 2,9766е^№ Я = 0,94

N1 Я = 0,92 у = 0,1509е"ч,'шю Я = 0,91

са у = 0,0284е~и,ош,г Я = 0,93 у = 0,0485е'"''*"М1 Я = 0,98

Качество овощной продукции, особенно в условиях техногенного загрязнения, следует оценивать не только по общепринятым показателям (содержанию белков, углеводов, жиров), но и по содержанию различных веществ, зачастую токсичных для человека и сельскохозяйственных животных. В этом отношении проблема накопления растениями ТМ обостряется еще больше, так как они могут поступать в продукцию не только из почвы, но и из атмосферы (Соколов, Черников, 1999).

Табл. 10. Коэффициенты биологического поглощения ТМ овощными культурами

РЬ Си Ъа N1 Сс!

50 м 1 0,005 0,018 0,069 0,018 0,005

2 0,002 0,006 0,033 0,002 0,009

100 м 1 0,019 0,013 0,030 0,009 0,008

2 0,006 0,005 0,025 0,003 0,017

500 м 1 0,020 0,010 0,012 0,004 0,016

2 0,005 0,004 0,024 0,002 0,024

1000 м 1 0,013 0,003 0,006 0,002 0,008

2 0,005 0,004 0,016 0,001 0,017

Примечание: 1 - капуста, 2 - томат.

Одной из характеристик, отражающих уровень потребления тяжелых металлов культурами, является коэффициент биологического поглощения (КБП). Установлено, что в среднем величина КБП возрастала в следующей последовательности: у капусты РЬ = С<3 < Си = N1 < томата № = РЬ < Си < Сс1 < Ъп (табл. 10). Следует также отметить, что обе культуры больше всего аккумулировали цинк на расстоянии до 1000 м.

Таким образом, на основании проведенного анализа сделан вывод, что существует тесная взаимосвязь между накоплением ТМ в почве и поступлением их в растения. При увеличении концентрации токсичных элементов в почве отмечено увеличение их концентраций и в растении. Накопление ТМ в овощных культурах в придорожной зоне происходило на расстоянии до 1000 м от кромки дороги, поэтому возделывание овощной продукции не рекомендуется производить ближе этого расстояния.

Глава 7. Роль зеленых насаждений в снижении негативной нагрузки на почвенный покров

В результате исследований в зоне автомобильной дороги Пенза - Заречный в образцах почвы содержание ТМ (РЬ, Хп, Си, Сс1) в значительной мере определялось воздействием автотранспорта и условиями распределения выбросов в придорожной зоне (рис. 12). Выявлено, что максимальное содержание всех изученных токсикантов характерно для расстояния 2 м от кромки дороги, при этом по цинку, свинцу, никелю и кадмию отмечено превышение ПДК в 1,1-1,4 раза.

По мере удаления от кромки дороги содержание всех ТМ закономерно снижалось. Вместе с тем, если на незащищенном деревьями участке на расстоя-

нии 10 м от дороги содержание 1хх и РЬ превышало допустимые концентрации, то под влиянием защитной лесополосы оно снизилось до практически безопасного уровня. Еще более значительны различия в концентрации ТМ на расстоянии 50 м от дороги, в этом случае использование лесополосы способствовало снижению их количества в 1,3-2,8 раза.

2 10 50

рассгояле, м

2 10 50

расстояние, м

2 10 60 расстояние, м

2 10 50

расстояте, м

10 50

расстояние, м

Рис. 12. Содержание валовых форм ТМ в почве (0-15 см) в зависимости от удаленности от кромки автодороги, мг/кг. Планки погрешностей при р = 0,05.

С использованием корреляционного анализа была проведена оценка связи влияния выбросов на аккумуляцию почвой ТМ (2п. Си, Сс1, РЬ, №). Результаты анализа подтверждают достоверность полученных данных (табл. 11).

Содержание подвижных форм ТМ также в значительной мере определялось местом отбора образцов почвы. При этом выявлено, что вблизи автомобильной дороги по Zn, Си, РЬ, № характерно превышение ПДК, по мере удаления содержание ТМ заметно снижалось. Санирующий эффект лесополосы достигал 29-47 % по сравнению с участком, не защищенным лесополосой.

Табл. 11. Коэффициенты связи аккумуляции ТМ почвами в зависимости от расстояния до автодороги

ТМ Без лесополосы С лесополосой

РЬ у = 178,65е 1 Я = 0,96 >>= 191,9е' Я = 0,99

Си >> = 80,925е'и'из5й Я = 0,98 у = 60,241е"и,и'ш Я = 0,92

гп у = 304,96е°'Ш86г Я = 0,99 у 172,32^^ Я = 0,84

№ у = 72,566е-и'и1А Я = 0,88 у 49,543е-щш* Я = 0,80

са > = 2,2915е"и-и^ Я = 0,97 у = 2,238е~"'и'""г Я = 0,98

Таким образом, проведенное исследование еще раз подтверждает, что зеленые насаждения в городах являются барьером, сохраняющим ландшафты, и особенно почву, от загрязнения. Увеличение площади зеленых насаждений будет создавать условия безопасного проживания на загрязненных территориях.

В приложении приведены акты внедрения результатов диссертационной работы.

ВЫВОДЫ

1. Серые лесные почвы лесостепи Среднего Поволжья характеризуются значительной вариабельностью содержания валовых и подвижных форм ТМ. Отмечена повышенная концентрация ТМ в верхнем плодородном слое серых лесных почв вблизи транспортных магистралей: на расстоянии до 20 м от железной дороги превышение ПДК по РЬ в 1,3-3,0 раза, по Сс1 - в 1,7 раза, по N1 -в 1,7-1,8 раза; у автомагистралей превышения наблюдались на расстоянии до 500 м, что указывает об антропогенной нагрузке на почвы.

2. В зависимости от расстояния до источников загрязнения химические свойства техногенных ландшафтов достоверно изменяются: увеличиваются актуальная и потенциальная кислотности, снижается содержание обменного кальция и степень насыщенности почвенного поглощающего комплекса основаниями. Наиболее значимые изменения прослеживаются в поверхностном слое (015 см) на расстоянии до 100-200 м от источника загрязнения.

3. Установлено достоверное снижение численности микроорганизмов при загрязнении почвы ТМ: резко снижается количество целлюлозоразлагающих бактерий и бактерий, трансформирующих соединения азота; содержание мице-лиальных форм (грибы и актиномицеты) существенно не изменяется. Активности ферментов - каталазы, уреазы, протеазы, инвертазы также достоверно снижаются. Снижение показателей общей численности почвенных микроорганизмов, соотношения эколого-трофических групп и активности почвенных ферментов можно использовать в качестве индикатора загрязнения серых лесных почв, что подтверждается корреляционными зависимостями.

4. Содержание ТМ в овощной продукции зависело от вида овощей (содержание РЬ, Ъп, Си, N1 в капусте было выше, чем в томатах) и расстояния до кромки автомагистрали (на расстоянии до 50 м содержание РЬ, Си, С(1 было выше, чем на удалении). Выявлены корреляционные зависимости, которые указывают на тесную связь содержания ТМ в почве с количеством, акку-

мулированным растением. КБП цинка оставался наиболее высоким для обоих видов овощей на расстоянии до 1000 м.

5. Содержание валовых и подвижных форм ТМ вблизи автомобильной дороги по цинку, меди, свинцу и никелю превышало ПДК. Выявлено, что использование полосы зеленых насаждений способствовало снижению их количества в 1,3-2,8 раза.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Для первичной оценки неблагополучия окружающей среды эффективным индикатором антропогенной нагрузки на почву является снижение абсолютной численности и изменение соотношения эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов (бактериальных и мицелиальных форм). Целесообразно использовать в качестве индикаторов загрязнения серых лесных почв тяжелыми металлами активность почвенных ферментов - каталазы и уреазы.

2. Данные по содержанию ТМ (Pb, Zn, Cu, Ni Cd) в серых лесных почвах могут быть использованы при составлении карты геохимического загрязнения почв города.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых научных журналах РФ, рекомендованных ВАК

1. Парфенова Е.А. Оценка загрязнения почв тяжелыми металлами в результате влияния выбросов автотранспорта // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. 2011. № 25. Пенза, 2011. С. 586-589.

2. Шаркова С.Ю., Полянскова Е.А., Парфенова Е.А. Биоиндикация городской среды по состоянию микробного комплекса почв // Экология и промышленность России: Научно-технический журнал. 2011. Ноябрь. М., 2011. С. 44-47.

3. Шаркова С.Ю., Полянскова Е.А., Парфенова Е.А. Состояние микробного комплекса почв при нефтезагрязнении // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. 2011. № 25. Пенза, 2011. С. 606-Í09.

Статьи в других изданиях

4. Полянскова Е.А., Парфенова Е.А. Биоиндикация как поиск информативных компонентов экосистем // Информационные технологии и системы в науке, образовании, промышленности: Сборник докладов II Всероссийской научно-технической конференции. Пенза: Изд-во ПГТА, 2009. С. 321-325.

5. Шаркова С.Ю., Полянскова Е.А., Омельченко Е.А. Физико-химические свойства техногенно загрязненной серой лесной почвы под влиянием известкования // Агроэкологические аспекты устойчивого развития АПК: Материалы VII Международной научной конференции. Брянск: Изд-во БГСХА, 2010. С. 195-198.

6. Шаркова С.Ю., Полянскова Е.А., Парфенова Е.А. Влияние нефтеперерабатывающего предприятия на почвенный покров // Агроэкологические ас-

пекты устойчивого развития АПК: Материалы VII Международной научной конференции. Брянск: Изд-во БГСХА, 2010. С. 237-241.

7. Полянскова Е.А., Парфенова Е.А., Шаркова С.Ю. Оценка влияния автозаправочных станций на окружающую среду // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего ююс: Научно методический журнал. 2011. № 01 (01). Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2011. С. 91-96.

8. Парфенова Е.А.. Полянскова Е.А. Использование процедуры идентификации экологических аспектов для оценки воздействия промышленного предприятия на окружающую среду // Вопросы повышения урожайности сельскохозяйственных культур: Материалы международной научной конференции. Иваново: Изд-во Ивановской ГСХА, 2011. - С. 189-191.

9. Ефремова С.Ю., Полянскова Е.А., Парфенова Е.А. Моделирование влияния автозаправочных станций на экосистемы // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: Сборник трудов XXIV Международной научной конференции. Т. 4. Киев: Изд-во Нац. техн. ун-та Украины, 2011. С. 87-89.

10. Парфенова Е.А., Ефремова С.Ю. Биоиндикация аэротехногенного загрязнения почв // Состояние среды обитания и фауна охотничьих животных России: Материалы 5-й Всероссийской научно-практической конференции. М: РГА-ЗУ, 2011. С. 488-495.

11. Парфенова Е.А., Ефремова С.Ю., Суркова В.В. Анализ техногенной нагрузки предприятия легкой промышленности на окружающую среду с разработкой природоохранных мероприятий // Молодёжь. Наука. Инновации: Сборник материалов IV Международной научно-практической Интернет конференции. - Пенза: РГУИТП, 2011. С. 393-399.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю, д.б.н. С.Ю. Ефремовой за помощь на всех этапах работы, заведующему кафедрой д.т.н., профессору K.P. Таранцевой; д.с-х.н., профессору И.А. Шильникову (ВНИИА, Москва) за методические советы и поддержку при подготовке диссертации, сотрудникам ГЦАС "Пензенский" в лице зам.директо-ра H.H. Мещеряковой за помощь в проведении химико-аналитических исследований, а также Е.А. Полянсковой за помощь в обработке некоторых экспериментальных данных, полученных в совместной работе.

ПАРФЕНОВА Екатерина Анатольевна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ СРЕДНЕГО ПОВОЛЖЬЯ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Редактор Л.Ю. Горюнова Компьютерная верстка Д.Б. Фатеева, Е.В. Рязановой

Сдано в производство 16.02.12. Формат 60x84 716 Бумага типогр. №1. Печать трафаретная. Шрифт Times New Roman Суг. Усл. печ. л. 1,39. Уч.-изд. л. 1,41. Заказ № 2131. Тираж 100.

Пензенская государственная технологическая академия. 440605, Россия, г. Пенза, пр. Байдукова/ул. Гагарина, \Ч\\.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Парфенова, Екатерина Анатольевна, Пенза

61 12-3/1244

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ»

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ СРЕДНЕГО ПОВОЛЖЬЯ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОЙ

НАГРУЗКИ

На правах рукописи

ПАРФЕНОВА ЕКАТЕРИНА АНАТОЛЬЕВНА

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, доцент Ефремова С.Ю.

ПЕНЗА-2012

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1 ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВЕ: ПОСТУПЛЕНИЕ, ТРАНСФОРМАЦИЯ, МИГРАЦИЯ, БИОИНДИКАЦИЯ 8

1.1 Антропогенное влияние ТМ на основные свойства почв 12

1.2 Применение биологических методов при оценке загрязнения 19 почвенного покрова

Глава 2 ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ 29

2.1 Эколого-географические и почвенно-геоморфологические 29 особенности почвообразования

2.2 Природно-климатические условия формирования качества 35 окружающей среды региона

2.3 Содержание тяжелых металлов в серых лесных почвах лесо- 38 степи Среднего Поволжья

2.4 Объекты и методы исследования 40

45 45 61 71

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ

Глава 3 ОЦЕНКА АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ НА СЕРЫЕ

ЛЕСНЫЕ ПОЧВЫ РЕГИОНА

Глава 4 ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОГЕННОГО

ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ

Глава 5 ПОКАЗАТЕЛИ БИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ПОЧВ В ДИАГНОСТИКЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОБЪЕКТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Глава 6 ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЫ ТМ НА ОВОЩНЫЕ КУЛЬТУРЫ

Глава 7 РОЛЬ ЗЕЛЕНЫХ НАСАЖДЕНИЙ В СНИЖЕНИИ 93 НЕГАТИВНОЙ НАГРУЗКИ НА ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 99

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ! 0 2

ПРИЛОЖЕНИЯ из

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Являясь неотъемлемой частью любой наземной экосистемы, почва играет важную роль в поддержании устойчивости биосферы. Она также является индикатором природных процессов, а ее состояние - результат длительного воздействия разнообразных источников загрязнения.

Почва рассматривается как основная среда адсорбции загрязняющих веществ, что вызывает изменение функциональной и биохимической активности биоты. Внешне признаки деградации почвы заметить сложно, поэтому изменения этой составляющей биосферы не вызывают особого беспокойства, однако именно живая компонента почвы может сказать многое об изменениях экологической ситуации на территории в целом.

В работах многих исследователей биологическая оценка была показана при высоких уровнях (более 10 ПДК) загрязнения почв (Звягинцев, 1976-1991; Денисова, 2005, 2006; Девятова, 2005, 2006; Егорова и др., 1991, 1996), а исследования невысоких уровней воздействия на почвенный покров в литературе отсутствуют. В связи с этим, в условиях лесостепи Среднего Поволжья актуальным является подбор биоиндикаторов загрязнения почв тяжелыми металлами, которые можно эффективно использовать для мониторинга экологической ситуации в городах с низким уровнем загрязнения, с использованием достаточно точных и нетрудоемких методик для выявления самых ранних стадий загрязнения.

Целью исследований является выявление закономерностей изменения состояния серых лесных почв Среднего Поволжья в условиях антропогенного загрязнения, а также возможностей применения биологических показателей в оценке состояния почвенного покрова.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Определить содержание тяжелых металлов (ТМ) РЬ, Сё, Ът^ Си, № в почвенном покрове и оценить вклад различных источников их поступления.

3. Выявить биологические показатели для использования в оценке загрязнения тяжелыми металлами серых лесных почв.

5. Изучить значение зеленых насаждений в снижении негативного воздействия на почвенный покров.

Научная новизна. Впервые в условиях лесостепи Среднего Поволжья на примере Пензенской области проведено комплексное многокомпонентное исследование, позволившее оценить загрязнение тяжелыми металлами серых лесных почв в результате воздействия транспортного и промышленного комплекса.

Проведен учет фоновых значений валовых и подвижных форм ТМ (РЬ, Си, Хп, Сё, N1) в почве и их изменений под воздействием техногенного фактора. Установлено, что почвы лесостепи Среднего Поволжья характеризуются значительной вариабельностью содержания валовых и подвижных форм ТМ. Изучено изменение основных свойств серых лесных почв в результате длительных техногенных воздействий и оценена устойчивость почв к деградации в этих условиях. Выявлены закономерности изменения биологической активности серых лесных почв в условиях загрязнения ТМ.

Установлено, что микробиологическая и ферментативная активность почв могут быть использованы как диагностические показатели экологического состояния почв, испытывающих интенсивное антропогенное влияние.

Практическая значимость исследований. Данные о содержании ТМ (РЬ, Хп, Сё, Си, N0 в почвах, полученные в ходе исследования, могут быть использованы в ходе проведения экологического мониторинга на территории г. Пензы и служить критерием оценки степени антропогенной нагрузки.

Выявленные закономерности могут быть использованы при оценке качества городской среды, определении зон экологического бедствия, разработки стратегии рационального использования территории, оценки эффективности природоохранных мероприятий.

Реализация и внедрение результатов исследований. Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований транспортно-селитебных ландшафтов используются в учебном процессе на кафедре «Биотехнологии и техносферная безопасность» ПГТА и включены в содержание учебных пособий «Мониторинг окружающей среды», «Экологическая экспертиза, оценка воздействия на окружающую среду», «Методы и приборы контроля окружающей среды, и экологический мониторинг». Результаты работы в части применения биологических показателей экологического состояния почв (микробный комплекс и активность ферментов) в практике экологического мониторинга используются в производственном процессе лаборатории биомониторинга и биотестирования РЦГЭКиМ по Пензенской области ФГУ ГосНИИЭНП.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Зависимость содержания тяжелых металлов (РЬ, Сё, Си, № ) в верхнем плодородном слое серых лесных почв от расположения относительно источника выбросов (промышленно-транспортного комплекса).

• Влияние исследованных источников техногенного воздействия на химические и биологические свойства серых лесных почв.

• Зависимость содержания ТМ (РЬ, Ъп, Сё, Си, №) в почве при воздействии выбросов транспорта от наличия зеленых насаждений.

• Зависимость содержания ТМ (РЬ, Хп, Сс1, Си, N1) в овощной продукции от содержания их в почве.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии и системы в науке, образовании, промышленности» (Пенза, 2009); Международной научно-практической конференции «Агроэкологические аспекты устойчивого развития АПК» (Брянск, 2010); Международной научной конференции «Вопросы повышения урожайности сельскохозяйственных культур» (Иваново, 2011); Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Киев, 2011); 5-й Всероссийской научно-практической конференции «Состояние среды обитания и фауна охотничьих животных России» (Москва, 2011).

Глава 1 ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВЕ: ПОСТУПЛЕНИЕ, ТРАНСФОРМАЦИЯ, МИГРАЦИЯ, БИОИНДИКАЦИЯ

Состояние окружающей среды приобретает особо большое значение в условиях роста населения в мире. В результате антропогенной деятельности происходит постепенное загрязнение окружающей среды, вследствие чего экологические условия в городе постоянно ухудшаются. Все большее внимание привлекает проблема загрязнения биосферы тяжелыми металлами. Поступая из различных источников, тяжелые металлы способны накапливаться в почвах в концентрациях, превышающих фоновый уровень (Орлов, 1991; Ильин, Сысова, 2001; Вернигорова, 2005; Шаркова, 2008).

Тяжелые металлы (ТМ) - группы химических элементов, имеющих плотность более 5 г/см3. Термин заимствован из технической литературы, где металлы классифицируются на легкие и тяжелые. Для биологической классификации правильнее руководствоваться не плотностью, а атомной массой, т.е. к тяжелым следует относить металлы с атомной массой более 40 (Алексеев, 1987). Имеется группа металлов, за которыми закрепилось только одно негативное понятие - «тяжелые», в смысле «токсичные». Такая группа включает ртуть, кадмий и свинец. По общему мнению, их считают наиболее вероятными и опасными загрязнителями окружающей среды, так как они широко используются в промышленности и на транспорте (Алексеев, 1979; Большаков, Краснова, 1993; Торшин и др., 1990; Габбасова, 2001).

ТМ попадают в атмосферу в составе газообразных выделений и дымов, а также в виде техногенной пыли. Постоянное поступление их даже в малых количествах может привести к постоянному накоплению металлов в почве (Дзаногов, 2001; Захаров, 2002; Титова, 2002; Торбатов, 2002; Шаркова, 2007). Газопылевые выбросы предприятий создают мощные техногенные потоки токсичных веществ, в том числе ТМ на поверхность почв и

растений, вызывая их загрязнение. При этом почвы являются биогеохимическим барьером, который поглощает тонкодисперсные вещества и газы, поступающие из атмосферы, одновременно очищая другие природные среды (воды, воздух).

В культурных ландшафтах наибольшее распространение имеют цинк, свинец, ртуть, кадмий, хром. Набор металлов, поступающих в ландшафт, зависит, прежде всего, от характера человеческой деятельности в данном регионе. При развитии автомобильного транспорта и при наличии густой сети автомобильных дорог реально ожидать обогащения ландшафта свинцом, поступающим в окружающую среду от двигателей внутреннего сгорания (Николаева, 1987; Ильин, 1991). Поступление в среду кадмия может быть связано с широким использованием в сельском хозяйстве фосфатов, содержащих указанный элемент в виде примеси (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Трифонова, 2002).

Опасными являются высокие концентрации тяжёлых металлов в почве и их избыточное поступление в организм человека и животных, откуда эти металлы выводятся очень медленно, накапливаясь, главным образом, в почках и печени. Кроме того, постоянное потребление растительной продукции даже со слабо загрязнённых почв может приводить к кумулятивному эффекту, то есть к постепенному увеличению содержания ТМ в живом организме (Овчаренко, 1997; Добровольский, Гришина, 1983; Шаркова, На-дежкина, 2009).

Являясь накопителями техногенных веществ, почвы могут стать вторичным источником загрязнения воздуха, растений и природных вод, что может вызвать нарастание экологически опасных последствий, создающих угрозу для здоровья человека. Поэтому мониторинг состояния окружающей среды должен включать не только контроль над современным содержанием и формами соединений ТМ в почвах, но и оценку тенденций изменений в

уровнях загрязнения почв и их последствий для городской среды как среды обитания человека (Орлов, 1991; Бясов и др. 2001).

В нашей стране в качестве предельно допустимых концентраций (ПДК) тяжелых металлов в почве было использовано несколько подходов. При одном из них в качестве ориентира было принято удвоенное содержание тяжелых металлов по их кларку (Цемко и др., 1980). Однако этот подход не учитывает местного локального загрязнения и специфические почвенные условия конкретного региона. Другие авторы (Маханько, 1976) предложили в качестве ПДК удвоенное местное фоновое содержание тяжелых металлов в почвах. Но оба эти подхода предполагают, что другие, в частности агрохимические свойства почвы, будут оставаться неизменными. Изменение структуры биоценоза характеризуется величиной техногенного модуля, соответствующего массе вещества, поступающего в единицу времени на определенную площадь. Для характеристики техногенного загрязнения ТМ используется коэффициент концентрации, равный отношению концентрации элемента в загрязненной почве к его фоновой концентрации. При загрязнении почвы несколькими тяжелыми металлами степень загрязнения оценивается по величине суммарного показателя концентрации (Zc).

Суммарный показатель концентрации тяжелых металлов может использоваться как при ландшафтно-геохимическом нормировании, так и при оценке загрязняющего действия минеральных, органических и известковых удобрений по результатам длительных полевых опытов.

Для почв со слабокислой и кислой реакцией среды (рН 5,5 и менее) предложена шкала экологического нормирования тяжелых металлов (Обухов и др. 1990). Дается дробная шкала двух уровней: содержания и загрязнения, с широким диапазоном характеристик от очень низкой до высокой градаций. Достоинством этой шкалы является то, что она обоснована большим экспериментальным материалом и позволяет практическим работникам детально характеризовать степень загрязненности сельскохозяйствен-

ных угодий тяжелыми металлами. Недостатком шкалы экологического нормирования ТМ является уровень реакции среды в почве с рН менее 5,5.

Нормирование загрязнения почвы по количеству содержащихся в ней ТМ, основанное на достаточно больших экспериментальных материалах, позволяет ориентировочно определить уровень экологической опасности в отношении загрязнения природных вод и растительной продукции. Однако тесной корреляционной зависимости между содержанием в почве валового количества тяжелого металла и накоплением его в растении в большинстве случаев нет. Поэтому валовое содержание тяжелых металлов в почве является фактором емкости, отражающим в первую очередь потенциальную опасность загрязнения растительной продукции, инфильтрационных и поверхностных вод. Изменение химического состава растений начинает происходить при увеличении содержания валового количества тяжелых металлов в десятки раз по сравнению с фоновым. Поэтому А. Финк (1982) рассматривает шкалу нормирования по количеству валовых форм элементов как сугубо приблизительную. Следует по аналогии заметить, что для характеристики состояния почвенного питания растений макроэлементами используются только их подвижные формы.

Природные объекты: воздух, вода, почва и продукты питания являются контролируемыми по накоплению токсических веществ и входят обязательно в систему мониторинга. В основу действующих природоохранных разработок должны быть положены уже установленные ПДК тяжелых металлов в природных объектах. Основой действующих природоохранных мероприятий является определение тяжелых металлов в воздухе, воде, почве, растительной продукции и продуктах питания. Система предельно-допустимых концентраций (ПДК), допустимых остаточных концентраций (ДОК) и суточные нормы потребления токсических веществ с воздухом, водой, пищей человеком (животным) служит базисом санитарно-гигиенических требований при разработке природоохранных мероприятий.

1.1 Антропогенное влияние TM на основные свойства почв

Самое пристальное внимание заслуживает техногенное накопление тяжёлых металлов в почвах - начальном звене пищевой цепи. Столь же актуально изучение загрязнённости сельскохозяйственных культур, так как 70-80 % общего количества ТМ, поступающих в организм человека, приходится на растительную продукцию (Ильин, Конарбаева, 1997; Глазовская, 1988; Добровольский, 1997; Brummer et al., 1983; Сокаев и др, 2004). Исследования зарубежных авторов свидетельствуют, что на техногенно-загрязненной территории в организм человека поступает около 10 % ТМ из воздуха и примерно 75-80 % за счет местной растительной пищи.

В результате интенсивного движения транспорта вдоль автомагистралей образуются своеобразные техногенные аномалии. Почвы придорожной зоны содержат цинка и меди в несколько десятков и даже сотен раз больше, чем почвы, удаленные от автомагистралей (Майстренко и др., 2000). В придорожной полосе накопление ТМ в кормовых и ово�

Информация о работе

Парфенова, Екатерина Анатольевна
кандидата биологических наук
Пенза, 2012
ВАК 03.02.08

Диссертация

Экологическая оценка серых лесных почв среднего Поволжья в условиях антропогенной нагрузки - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы