Оценка состояния городской среды методами биоиндикации

Авере Джиеки

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Оценка состояния городской среды методами биоиндикации
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Оценка состояния городской среды методами биоиндикации"

СЛ! 1КТ-Г1ЕТЕРБУРГСК11И ГСХТДЛРСТВЕ! II1ЫЙ VI И1ВЕРСИТЕТ

АВЕРЕ Джиеки

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ МЕТОДАМИ БИОИНДИКАЦИИ (на примере С'анкт-Пете|>бурга)

Специальность 25.00.36 - Геоэкология

диссертации на соискание учеюй степени кандидата географических наук

Ва правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

Санкт-Нетерб\рг 2004

Работа выполнена па кафедре I сочкологии и природопользования факультета гео!рафии и геоэкологии Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Мовчан

Владислав Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор

Осипов

Георгий Константинович

доктор географических наук, профессор

Федоров

Анатолий Семенович

Ведущая организация: Ботанический институт им. В Л. Комарова РА11

Диссертационного Совета Д 212232.21 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу:

199178, Санкт-Петербург, 10-я линия В.Н., д. 33, аул 74

С диссертацией можно ознакомился в библиотеке Санкг-Псггербургекого государственного университета по адресу: Университетская наб., д 7/9

Автореферэт рснослш I«_ //>» 2004 г

Защита состоится «-ЗСЪ> I 2'_ 2004 г. в 15 час на заседании

Ученый секретарь Диссертационного Совета, доцент, кандидат географических наук

Мосолова Г И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Городская среда является специфическим образованием, возникшим в результате взаимодействия существовавших ранее природных ландшафтов и городской структуры. В результате процессов формирования и развития города в значительной степени изменяется состояние компонентов природных ландшафтов (Лунц 1975; Куприянов, 1977; Владимиров, Микулина, Яргина, 1986; Касимов, Перельман, 1995; Добровольский, 1997). Эти изменения в формирующейся городской среде нередко создают острые экологические ситуации, за развитием которых следят при использовании физико-химических и биологических методов оценки состояния среды обитания человека.

Ряд исследователей считает, что одним из перспективных подходов к оценке экологического состояния городской среды является биоиндикация. Однако, далеко не всегда выводы, сделанные на основании биоиндикационных и физико-химических (опирающихся в своих оценках на нормативные показатели) исследований совпадают.

Неоднозначность оценок развивающихся экологических, ситуаций на

исследований по выявлению допустимых областей применения методов биоиндикации в геоэкологии. Важным этапом рассмотрения применимости методов биоиндикации в геоэкологических исследованиях является установление характера связей индикационных показателей <; физико-химическими критериями антропогенных изменений городской среды, познание закономерностей их трансформации в зависимости от геоэкологических условий.

различных городских территориях, указывает на актуальность проведения

организмов экологических факторов

оценки

состояния, процессов трансформации и формирования городских почв, то не смотря на актуальность для геоэкологии этих исследований, работы в этом плане только начинаются

Определение областей применения экспресс-методов биоиндикации (широко используемых при опенке состояния естественных, - т.е. природных, комплексов) для решения специфических задач мониторинга городской среды является важным этапом обоснования программ геоэкологического мониторинга урбанизированных территорий, а также изучения механизмов функционирования измененных урбанизацией природных экосистем и их компонентов.

Наибольшее значение такие подходы имеют при изучении крупных городов России (например, Санкт-Петербурга), где происходят существенные изменения природной среды, вызванные концентрацией промышленного потенциала, транспорта и населения. Однако, экологические проблемы урбанизации возникают не только на территориях промышленно развитых стран. В настоящее время они остро ощущаются и в Западной, а также в Центральной Африке. Поэтому разработка современных подходов к оценке состояния городской среды имеет большое значение и для решения экологических проблем ряда африканских государств.

Цель и задачи исследования. Цель - определение сопоставимости оценок состояния городской среды методами биоиндикации и покомпонентного физико-химического анализа ее качества, а также выявление показателей биологической активности почв, отражающих продолжительность, характер освоения городских территорий и уровень их химического загрязнения.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи: 1. На основании анализа литературных данных и результатов собственных исследований рассмотреть сопряженность оценок состояния городской среды, проведенных экспресс-методами биоиндикации и методами физико-химического анализа.

2 При использовании распространенных в экологических исследованиях методов биотестирования оценить состояние городских почв на территориях Санкт-Петербурга, различающихся уровнем химического загрязнения (по данным физико-химического анализа) и функционального состояния произрастающих там зеленых насаждений.

3. На примере территорий Санкт-Петербурга, различающихся

продолжительностью и характером их освоения, изучить особенности биологических и физико-химических свойств урбаноземов.

4. Изучить влияние загрязнения тяжелыми металлами на основные показатели

биологической активности городских почв.

Объект и предмет исследования. Объест исследования - территорий крупных промышленных городов, в качестве модели которых выбран город Санкт-Петербург. Предмет исследования - состояние городской средь*, оцениваемое биологическими методами диагностики

Методология исследования. Выполненная работа базируется на методологических положениях геоэкологии, в основе которых лежат представления санкт-петербургской научной школы о том, что геоэкология -наука, изучающая экологически значимые (т.е. значимые для живых организмов, включая человека) изменения в геосистемах, подверженных антропогенному воздействию. Эти представления созвучны с положениями, лежащими в основе формулы специальности 2S.00.36 - Геоэкология, утвержденной ВАКом РФ.

Научная новизна и значимость- полученных результатов. Впервые проведен сравнительный анализ результатов исследований состояния городской среды при использовании экспресс-методов биоиндикации и методов физико-химического анализа, показавший принципиальные различия в оценках качества среды, осуществляемых на основе данных методических подходов. Выявлены закономерности в изменениях свойств урбаноземов ъ процессе формирования городского ландшафта. Установлены показатели биологической активности городских почв, отражающие

продолжительность и характер освоения территорий города, а также уровень их химического загрязнения.

Практическая значимость полученных результатов. Представленные в работе данные позволяют создать адекватную задачам геоэкологии программу мониторинга состояния городской среды и осуществить корректную интерпретацию результатов исследований ее состояния Сведения о физико-химических и биологических свойствах городских почв различных участков Василеостровского района и Елагина острова могут быть использованы Садово-парковым Управлением Санкт-Петербурга при проведении мероприятий по рекультивации городских почв, направленной на улучшение функционального состояния зеленых насаждений, которые выполняют в условиях города важную санитарно-гигиеническую, средообразующую и эстетическую функции.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Применение в геоэкологических исследованиях экспресс-методов биоиндикации и физико-химических критериев, используемых для расчета интегральных показателей качества компонентов природных комплексов, приводит к неоднозначным оценкам состояния городской среды.

2. Использование в качестве биоиндикаторных признаков морфологических характеристик зеленых насаждений позволяет классифицировать городские территории, в первую очередь, не по степени их химического загрязнения (часто рассматриваемого с точки зрения риска для здоровья человека), а по степени антропогенного изменения целого комплекса экологических факторов, играющего решающую роль в формировании специфических свойств городской почвы, которые в конечном итоге влияют на их биологическую активность.

3. К числу показателей биологической активности почв, отражающих продолжительность, характер освоения городских территорий и уровень их химического загрязнения относятся целлюлозолигическая активность, активность почвенного дыхания, а также активность почвенных ферментов уреаза и

ипнерг.ш При ном и шпмсимосш от рассматриваемого фактора антропогенной трансформации пр|фолной среды значимость перечисленных показателей меняется

. 1нчнын вкмад соискателя. Соискателем самостоятельно проведены сбор данных по применению физико-химических и биологических методов оценки состояния городской среды, отбор и физико-химический, а также биологический анализ проб городских почв Санкт-Петербурга, статистическая обработка и анализ полученных материалов.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертации освещались на Международной научной конференции «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (Санкт-Петербург, 2002); Научно-практической конференции «Геоэкологический мониторинг- теория и практика» (Санкт-Петербург, 2003).

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и списка используемой литературы. Обший объем работы 156 страниц, в том числе: 20 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 161.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 работы СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе «Методологические основы оценки состояния природных компонентов городской среды» проводится критический анализ используемых разными исследователями трактовок термина «состояние», используемого применительно к природной и антропогенно измененной среде; анализируются современные подходы к оценке состояния антропогенно измененной природной среды и критерии оценки ее состояния; подробно обсуждаются области применения и методы биоиндикации, ее возможности по выявлению конкретных факторов негативного антропогенного воздействия на природные комплексы, обосновываются наиболее применимые для оценки состояния городской среда методические подходы.

Во второй главе «Общая физико-географическая и экологическая характеристика территории С'ликт-Петербурга» обобщаются литературные данные (о географическом положении и истории формирования города, геологической среде и рельефе, особеьностях климата и состоянии атмосферного воздуха, природных вод, растительного и животного мира, состояния городских псчв), позволяющие охарактеризовать влияние природных и антропогенных факторов на формирование современной экологической ситуации на территории города. Особое внимание уделено сопоставлению результатов оценок состояния городской среды традиционными физико-химическими методами и методами биоиндикации.

На основании анализа литературных данных установлены несоответствия результатов оценок состояния городской среды, проводимых не только разными методами биоиндикации, но и при сравнении последних с результатами физико-химического анализа, что является следствием принципиальных различий в использовании разными исследователями подходов к оценке качества среды. Кроме того, показано, что биоиндикационные исследосания (в первую очередь, основанные на применении экспресс-метода анализа морфологических характеристик зеленых насаждений) пока не дают возможность с уверенностью говорить о доли участия химического антропогенного загрязнения среды в процессах трансформации характеристик городской биопгы.

В третьей главе «Материал и методы исследований» дается описание исследуемых городских территорий, а также использованных в работе методов физико-химического анализа и биологической диагностики городских почв

Исследования проводились на двух существенно различающихся по характеру и интенсивности антропогенных нагрузок на природную среду территориях Санкт-Петербурга: Василеостровеком районе и Елагине острове Василеостровский район включает промышленные, селитебные и рекреационные зоны, а его участки характеризуются разной

продолжительностью освоения. Территория Плагина осчрова - исключительно рекреационная юна Санкт-Петербурга

Места отбора проб включали те участки, которые ранее были изучены другими исследователями (Терехина, 1998; Уфимцева, Терсхина. 2000) при использовании экспресс-метода фитоиндикации. ГИо было необходимо для более полного представления об изменениях в природных компонентах городского ландшафта.

Отбор, хранение, подготовка и транспортировка проб городских почв проводили в соответствии с государственными стандартами (ГОСТ 17.4.3.01-83.; ГОСТ 17.4.4.02-84.). Всего отобрано 112 проб почв. Из них 72 пробы в пределах Василеостровского района и 40 проб на территории Плагина острова. Полевые исследования проводили в летне-осенний периоды 2000 и 2002 гг.

Для оценки токсичности городских почв были использованы ива широко используемых в экологических исследованиях -гест-объекта, существенно различающиеся по уровню организации и по процессам метаболизма, -инфузорию-туфельку Paramecium caudatvm и 1сресс-салат. Исследования проводились по ранее описанным в литератур методикам (Гальцова, Кулангиева, 1997; Федорова, Никольская, 1997) Метод определения токсичности почв с использованием инфузорий основан на их хемогаксической реакции, выражающейся в движении тест-обьекта против градиента концентраций загрязняющих веществ. В случае использования 1сресс-салата токсичность почв оценивали по всхожести его семяь, помещенных на 3 суток в почвенную вытяжку и находящихся в оптимальных температурных и световых условиях

Биологическую активность городских почв оценивали по их иеллюлозолитической активности, интенсивности дыхания и ферментативной активности. Целлюлозолитическую активность определяли аппликационным методом Кристенсена (Звягинцева, 1980) по интенсивности разложения фильтровальной бумаги при контакте с почвой. Определение интенсивности дыхания почвы проводили на основе оценки выделения почвой СОг по

Карп;1ченском\ (Зня! шшеп, 1980) Меюд \арактерп нет оС>ш> ю био.ю! мческ\ю актншюсгь помненном биоми. ирол\ пирующей в результат своей /Кимедеятсльности углекислый га)

Ферментативная активность почв дает представление о потенциальной активности почвенных микроорганизмов. Определение активности почвенного фермента инвертаза проводили методом Галстяна (Галстян, 1978). Активность фермента уреаза определялась методом Щербаковой (Хазиев, 1990), а фермента каталаза - методом Джонсона и Темпле (Хазиев, 1990).

При приведении физико-химических исследований городских почв руководствовались общепринятыми методами анализа почв (Аринушкина, 1970). Определялись значения рН (водного) и ЕЬ потенциометрическим методом. Определение катионов Са и проводили комплексонометрическим методом. Количество органического углерода в почве определяли методом Тюрина. Валовое содержание тяжелых металлов в пробах городских почв определяли атомно-абсорбционным методом при использовании спектрофотометра АББ-З в соответствии с МУ МЗ СССР № 424687.

Лабораторный анализ проб проводили в учебно-методической лаборатории факультета географии и геоэкологии Сш шт-Петербургскош госуниверсигета Математическая обработка полученных результатов проводилась на персональном компьютере с применением программы БТАТСПСА версия 5,0 Для всех выборок были вычислены следующие статистические параметры: среднеарифметическое, среднеквадратичное отклонение, доверительный интервал, коэффициент вариации, коэффициент корреляции.

В четвертой главе «Результаты исследований состояния городских почв Василеостровского района и Елагина острова и их обсуждение» представлен анализ результатов биотестирования, биохимического и физико-химического анализа городских почв территорий Санкт-Петербурга, различающихся степенью, характером и продолжительностью антропогенных нагрузок

В разделе 4 I представлены и проанализированы результаты биотестирования проб городских почв Выявлена существенная

неоднородное) ь качества пою компонента юродской среды, рассматриваемого с гочки (рения хсловий существования как авготрофныч, так и гетеротрофных живых организмов В целом, городские почвы Елагина острова являются более благоприятными для живых организмов, нежели почвы Василеостровского района На территории Василеостровского района согласно реакциям инфузорий токсичны городские почвы, главным образом, в южной части его центрального района и центральной части восточного района (рис 1)

!--- ----л^Н-ГУт^Ш^

Рис 1. Карта-схема токсичности городских почв Василеостровского района, определенной при использовании в качестве тест-объекта инфузории туфельки

[ !о данным теста «кресс-салат» участки с токсичными почвам отмечены как в западноч, центральном, так и в восточном районах Васильевского острова

(рис 2)

Рис 2 Карта-схема токсичности городских почв Василеостровского района, определенной по всхожести семян кресс-салата

Следовательно, молено говорить о специфичности реагирования рассмотренных тест-организмов на антропогенные изменения в городской среде, что может быть обусловлено как видоспецифическими особенностями толерантности (выносливости) используемых живых организмов, так и различными уровнями чувствительности критериев оценки таких изменений (в случае инфузории - хемотаксис, а в случае кресс-салата - нарушение процессов индивидуального развития, те. в данном случае - гибель зароды и) а растения).

Сравнение проведенных исследований с литературными данными (Терехина, 1998) показало отсутствие полного соответствия между результатами биотестирсвания почв и данными по экологическому зонированию территории Василеостровского района, проведенного на основе экспресс-метода оценки состояния зеленых насаждений по их морфологическим характеристикам. Выяснено, что городские почвы большей части зоны экологического риска (по Терехиной, 1998) согласно использованных нами тестов оказались нетоксичными. В работе формулируется представление о том, что экологическое зонирование городской территории на основе данных, полученных при использовании экспресс-метода фитоиндикации, отражает не столько техногенную (как считается, в первую очередь химическую) нагрузку, а сложный комплекс всех экологических факторов, включающих и ге, которые влияют на экологическое состояние и биологическую активность почв.

В разделе 4.2 представлены и проанализированы результаты оценки биологическая активность городских почв. Рассмотрены активность разложения целлюлозы и почвенное дыхание, а также ферментативная активность почв, которые во многом характеризуют интенсивность метаболичесхих процессов и почве

Выявлена более слабая активность разложения целлюлозы в городских почвах Василеостровского района по сравнению с Елагиным островом, где на протяжении длительного времени осуществляются работы по

ок\лм\рипанию почв С'ташсшческий аналт пол\чеипых репльгаюв пок,п.и чю наблюдается лостовернос \иеличеннс неллюлозолизнческой активности городских почв от западного к восточному участку Василсостровского района и далее к Елагину осгрову При этом в пределах Василеостровского района наибольшая пеллюлозолитическая активность городских почв наблюдалась в почвах скверов и газонов, где также проводятся мероприятия по окультуриванию почв.

Интенсивность почвенного дыхания (зависящая, как известно из литературы, от возраста и физиологического состояние почвенных организмов, доступности почвенной влаги, света и химических веществ, от температуры почвы и воздуха, состава почвенных газов) значительно варьирует в пределах исследуемых городских территорий. Наибольшие значения этого параметра выявлены на запале Василеостровского района, что не совпадает с оценкой биологической активности почв по критерию «пеллюлозолитическая активность». Эти различия объясняются тем. что дыхание почвы (выделение углекислого газа) отражает интенсивность всех биологических процессов в ней, а не только, тех. которые связаны с разложением органического вещества

При рассмотрении ферментативной активности городских почв установлено достоверное увеличение активности фермента уреаза в городских почвах о г западного к восточному участку Василеостровского района и Елагину острову В связи с этим отметим, что в почвах Елагина острова активность этого фермента соответствует величинам, полученным АС Федоровым (2002) для почв пригорода Санкт-Петербурга В ряду территорий: западная, восточная части Василеостровского района, Елагин остров отмечено увеличение активности и другого исследованного фермента - инвертазы При рассмотрении разных функциональных зон Василеостровского района (одна группа - детские сады и дворы, вторая группа - газоны и скверы, т е территории, которые подвергаются мелиорации садово-парковым хозяйст вом города) обнаружено увеличение в почвах второй группы активности фермента уреаза, в то время как активность каталазы и инвертазы снижается (рис 3)

Рис. 3. Активность ферментов в пробах городских почв разных функциональных зон территории Василеостровского района.

При оценке значений показателей биологической активности городских почв выявлена их существенная территориальная неоднородность, на что указывают высокие значения коэффициента вариации этих параметров. Этот коэффициент (являющийся мерой сравнения вариабильносги признаков) для большинства показателей биологической активности почв выше 0.5 и достигает значений 0,94.

Установлено, что в пробах почв, собранных в местах произрастания растительности, находящейся в хорошем функциональном состоянии (по данным Н.Б.Терехиной. 1998; основанных на экспресс-анализе состояния зеленых насаждений), по сравнению с пробами, соответствующими местам с угнетенными растениями, более чем в два раза выше целлюлозоразлагаюшая активность, приблизительно в три раза увеличивается почвенное дыхание, и почти в два раза увеличивается активность уреазы и инвертазы (рис. 4).

Анализ полученные данных и проведенные сопоставления позволяют считать, чго результаты лендроиндикации городских территорий (основанной на применении экспресс-метода диагностики) отражают не, как это принято

Рис. 4. Характеристика городских почв Василеостровского района в местах произрастания разных по функциональному состоянию зеленых насаждений (а - хорошее, б - угнетенное состояние растений).

рассматривать, качество окружающей среды (которое чаще всего оценивают с точки зрения химического загрязнения природных комплексов), а степень сохранения (или восстановления) экологических свойств почв, измененных в результате эмиссионных, фоново-параметических и пандшафтно-деструкционных воздействий, вызванных фэрмированием городского ландшафта.

В разделе 4.3 приводятся и обсуждаются результаты физико-химического анализа городских почв. Выявлена территориальная неоднородность городских почв по большинству рассмотренных физико-химических показателей. Тем не менее, намечаются и определенные закономер -юсти в территориальном распределении значений ряда физико-химических показателей состояния городских почв.

Во-первых ионышаася значение рН (до ненградмю!о п ш слабощелочною) как на территории Васи.чеосфовского района, так и Елатина острова по сравнению с природными зональными почвами. При этом минимальные значения рН обнаружены в наиболее молодом участке городского ландшафта - в западной части Василеостровского района, т е. части района, которая наименее подвержена антропогенному воздействию, где процессы формирования урбаноземов идут на относительно небольшом временном интервале (с начала 1970-х годов). Высокие значения рН на Елагином острове являются следствием проводимого там известкования, до <

которого согласно литературным данным (Мете, Цветкова, Мельничук, 1989),

значения рН колебались в пределах 2,8 - 4,0. I

Во-вторых: содержание гумуса в городских почвах существенно выше, чем в зональных дерново-подзолистых природных почвах; при этом, максимальные значения характерны для рекреационных территорий города.

В-третьих: городские почвы по сравнению с природными зональными почвами характеризуются более низким уровнем протекания в них окислительно-восстановительных процессов, на что указывают значения ЕЙ.

Рассмотренные выше особенности, скорее всего, являются общими для городских почв не только Санкт-Петербурга, но и других городов *

(Добровольский, 1997; Девятова, Сторошенко, Дудкина 1998: Напрасникова, Снытко. 1999; Горбовская, Мовчан, Герш и др., 2001).

Таким образом, судя по ряду показателей, со временем формирования городских почв происходят отклонения их физико-химических характеристик от фоновых значений, а также по некоторым параметрам снижается территориальная неоднородность среды, что проявляется в уменьшении вариабельности рассматриваемых признаков.

1.Цинк

. 14

I &0 1*1 I1:1

I 12 I -Ю

11« 18 в

г:

. 1

I тов

| ёол § ч 2|о« | 0.2 1 О

о«;

о «в

X >

1.1 л

I .

ом

к ю

ом

2 Синят»

в Я

! §10 ^ «

!: \ 4 о

805

11о<

! 9)4

; 05

057

огз

1С

1Л

• 10 ];

Йг

ХИпь

« »4

1 „а

<1® щ

г 21 < ®

13*

т 4 | 2 * 0.

848

ал •

ов-

I5«

ел»

ала

I.,

оя

044

-Щ

Г 1*1

Л']

Рис. 5. Показатели биологической активности городских почв с содержанием рассмотренных тяжелых металлов менее или равном фоновому (а) и превышающем фоновое значение в три н более раз (б).

Оценка валового содержание тяжелых металлов в городских почвах показала, что наиболее загрязнены тяжелыми металлами участки, относятся

к центральным и восточным частям Василеостровского района. Наименьшее

, р; .1 <

содержание - в западной части Василеостровского района и на Елагином

острове, что согласуется с ранее опубликованными данными по загрязнению территории Санкт-Петербурга тяжелыми металлами (Охрана окружающей среды .. , 2002).

В разделе 4 4 анализируется зависимость биологической активности городских почв от содержания в них тяжелых металлов Обнаружено, что ряд тяжелых металлов являются активными химическими элементами, оказывающими при повышении их концентрации в городских почвах угнетающее влияние на почвенное дыхание. В наибольшей степени угнетающий эффект проявляется при содержании тяжелых металлов, превышающем значения их регионального фона. Рассмотренные тяжелые металлы оказывают заметное влияние и на другие показатели биологической активности городских почв. Установлено, что повышенное (более трехкратное превышение регионального фона) содержание цинка, свинца и меди снижает целлюлозолитическую активность, активность почвенного дыхания, а также активность таких почвенных ферментов, как уреаза и инвертаза (рис. 5)

В разделе заключение обобщаются результаты проведенных исследований и литературные данные, обосновываются выводы диссертационной работы.

ВЫВОДЫ

1. При анализе литгратурных данных установлены несоответствия результатов оценок состояния городской среды, проводимых методами биоиндикациИ и методами физико-химического анализа. Это является следствием принципиальных, различий в подходах определения качества среды: в первом случае - биоцентрического, отражающего чувствительность выбранного биоиндикатора к изменению комплекса экологических факторов, а во втором случае - антропоцентрического, основанного на интегральных показателях (ИЗВ, коэффициент суммарного загрязнения), т.е. нормированных к ПДК значений содержания загрязняющих веществ.

2 На основе собственных результатов установлена специфичность реагирования широко используемых в экологических исследованиях биогестов на антропогенные изменения в городской среде, что может быть обусловлено как видоспецифическими особенностями толерантности используемых живых организмов (инфузорий и растений), так и разными уровнями чувствительности критериев (хемотаксис, гибель организма) оценки таких изменений

3. Выявленные различия между а) оценкой токсичности городских почв (по тесту «кресс-салат»), лихеноиндикационной оценкой загрязнения атмосферного воздуха; и б) дендроиндикационным экологическим зонированием территории Василеостровского района, дают основание считать, что такое экологическое зонирование, основанное на морфологических показателях изменения состояния зеленых насаясдений города, в первую очередь характеризует ие степень опасности антропогенного химического загрязнения жизнеобеспечивающих сред, а изменение комплекса экологических свойств городских почв. Подтверждением последнего является тот факт, что в местах произрастания зеленых н.юаждений, находящихся в хорошем функциональном состоянии, по сравнению с местами с угнетенными растениями, выше целлюлозолитическая активность почв, почвенное дыхание, активность ферментов уреаза и инвертаза.

4. Установлено, что в процессе формирования городского ландшафта происходят существенные изменения свойств почв, проявляющиеся в изменении реакции почвенной среды в сторону подщелачивания, в повышении суммарного количества кальция и магния, в увеличении суммы обменных оснований, в повышении содержания органического углерода, и в повышении содержания тяжелых металлов. На этом фоне происходит снижение уровня протекания окислительно-восстановительных процессов, на что указывают значения ЕЬ.

5 Показано, что состояние городских почв определяется продолжительностью, а также характером освоени! городской территории и отражается в показателях их биологической активности. Установлено, что в

промышленных и селитебных тонах города по сравнению с рекреационными снижается активность почвенных ферментов уреазы и инвергазы, целенаправленное окультуривание городских почв скверов и газонов приводит к повышению целлюлозолитической активности, а также активности почвенного фермента уреаза.

6. Городские почвы Санкт-Петербурга характеризуются высоким уровнем загрязнения тяжелыми металлами В городских почвах, с содержанием тяжелых металлов (цинка, свинца, меди) более чем в 3 раза выше регионального фона, снижаются значения многих показателей биологической активности почв, среди которых целлюлозолитическая активность, активность почвенного дыхания, активность почвенных ферментов уреаза и инвертаза.

Список публикаций по теме диссертации 1 Авере Дж. Сравнительный анализ биологической активности почво-грунтов Санкт-Петербурга на примере территорий Васильевского и Елагина островов // Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон. Материалы международной конференции. 15 -17 октября 2002 - СПб.: изд РГГМУ, 2002 - С 18

2. Авере Дж. Биологическая активность городских поч во-грунтов Санкт-Петербурга на примере разных по степени антропогенной нагрузки территорий Васильевского острова // Геоэкологический мониторинг: теория и практика / Под ред. В.В. Дмитриева, И О. Шилова. СПб. 2003. - С. 140 - 143

Подписано в печать 03 12 04 Формат 60*84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Уел печ л 1,16 Тираж 76 экз. Заказ № 64

ЦОП типографии Издательства СП6ГУ 199061, С -Петербург, Средний пр ,41

РНБ Русский фонд

2006-4 456

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Авере Джиеки

Ведение

ГЛАВА 1. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ

СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНЫХ КОМПОНЕНТОВ 1 о ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ

1.1 Современные подходы к оценке -состояния антропогенно измененной природной среды

1.2 Области применения и методы биоиндикационных 17 исследований

ГЛАВА 2. ОБЩАЯ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ И

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРРИТОРИИ 35 САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

2.1 Географическое положение и история формирования 35 города

2.2 Геологическая среда и рельеф

2.3 Особенности климата и состояние атмосферного воздуха

2.4 Характеристика природных вод

2.5 Растительный и животный мир

2.6 Состояние городских почв

ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Полевые исследования

3.2 Методы камеральных исследований

3.2.1 Биотестирование

3.2.2 Определение биологической активности почв

3.2.3 Определение биохимических свойств почв

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ СОСТОЯНИЯ

ГОРОДСКИХ ПОЧВ ВАСИЛЕОСТРОВСКОГО РАЙОНА

И ЕЛАГИНА ОСТРОВА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Ъ

4.1 Биотестирование городских почв

4.1.1 Использование в качестве тест-объекта инфузории- £8 туфельки

4.1.2 Использование в качестве тест-объекта кресс-салата

4.2 Биологическая активность городских почв

4.2.1 Целлюлозолитическая активность городских почв

4.2.2 Интенсивность почвенного дыхания

4.2.3 Ферментативная активность почв

4.3 Физико-химические характеристики городских почв

4.4 Зависимость биологической активности городских почв от содержания в них тяжелых металлов 119 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127 Выводы 139 Литература

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оценка состояния городской среды методами биоиндикации"

Актуальность темы диссертации. Городская среда является специфическим образованием, возникшим в результате взаимодействия существовавших ранее природных ландшафтов и городской структуры. Развитие городов преобразует естественный (природный) ландшафт, приводя к формированию новых - урбанизированных экосистем. В результате процессов формирования и развития города в значительной степени изменяется состояние атмосферного воздуха и природных вод, происходят микроклиматические изменения, вместо естественных почв формируются специфические образования - урбаноземы (Куприянов, 1977; Владимиров, Микулина, Яргина, 1986; Урбанизация и экология, 1990; Касимов, Перельма, 1995; Добровольский, 1997). Растительный покров городов обычно представлен "культурными насаждениями", поэтому структура антропогенных фитоценозов не соответствует зональным и региональным типам естественной растительности. Развитие зеленых насаждений городов протекает во многом в искусственных условиях, что приводит к сильному угнетению их функционального состояния (Лунц, 1975). Перечисленные изменения в формирующейся городской среде нередко создают острые экологические ситуации, за развитием которых следят при использовании физико-химических и биологических методов оценки состояния среды обитания человека.

Ряд исследователей (Уфимцева, Терехина, 2000) считает, что одним из перспективных подходов к оценке экологического состояния городской среды является биоиндикация, т.к. она обеспечивает, по их мнению, получение комплексной информации о состоянии среды и может стать основой принятия превентивных мер по оптимизации городской среды в выделенных по биоиндикаторным критериям «зонах экологического риска» (рассматривается риск для здоровья населения). Однако, далеко не всегда выводы, сделанные на основании 'биоиндикационных и физико-химических (опирающихся в своих оценках на нормативные показатели) исследований совпадают; кроме того, насколько нам известно, отсутствуют и работы по выявлению степени сопряженности биоиндикационных и медико-демографических оценок качества городской среды.

Неоднозначность оценок развивающихся экологических ситуаций на различных городских территориях, указывает на актуальность проведения исследований по выявлению допустимых областей применения методов биоиндикации в геоэкологии. Важным этапом рассмотрения применимости методов биоиндикации в геоэкологических исследованиях является установление характера связей индикационных показателей с физико-химическими критериями антропогенных изменений городской среды, познание закономерностей их трансформации в зависимости от геоэкологических условий.

Работы, направленные на рассмотрение степени сопряжения биоиндикационных показателей не только с уровнем химического загрязнения среды, но и с антропогенным изменением других важных для живых организмов экологических факторов единичны. Что же касается оценки состояния, процессов трансформации и формирования городских почв, то не смотря на актуальность для геоэкологии этих исследований, работы в этом плане только начинаются.

Хотя в последние время наблюдается интенсивная разработка теоретических основ учения о городских экосистемах и роли городских почв в формировании урбоэкосистем (Vink, 1983; Crual, 1992; Касимов, -Перельман, 1995; Добровольский, 1997), сведений об изменениях свойств почв, позволяющих лучше понять механизмы функционирования антропогенно измененных природных комплексов, недостаточно.

Определение областей применения экспресс-методов биоиндикации (широко используемых при оценке состояния -естественных, - т.-е. природных, комплексов) для решения специфических задач мониторинга городской «среды является важным этапом обоснования программ геоэкологического мониторинга урбанизированных территорий, а также изучения механизмов функционирования измененных урбанизацией природных экосистем и их компонентов.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

1. На основании анализа литературных данных и результатов собственных исследований рассмотреть сопряженность оценок состояния городской среды, проведенных экспресс-методами биоиндикации и методами физико-химического анализа.

2. При использовании распространенных в экологических исследованиях методов биотестирования оценить состояние городских почв на территориях Санкт-Петербурга, различающихся уровнем химического загрязнения (по данным физико-химического анализа) и функционального состояния произрастающих там зеленых насаждений.

3. На примере территорий Санкт-Петербурга, различающихся продолжительностью и характером их освоения, изучить особенности биологических и физико-химических свойств урбаноземов.

4. Изучить влияние загрязнения тяжелыми металлами на основные показатели биологической активности городских почв.

Объект и предмет исследования. Объект исследования - территории крупных промышленных городов, в качестве модели которых выбран город Санкт-Петербург. Предмет исследования - состояние городской среды, оцениваемое биологическими методами диагностики.

Методология исследования. Выполненная работа базируется на методологических положениях геоэкологии, в основе которых лежат представления санкт-петербургской научной школы о том, что геоэкология -наука, изучающая экологически значимые (т.е. значимые для живых организмов, включая человека) изменения в геосистемах, подверженных антропогенному воздействию. Эти представления созвучны с положениями, лежащими в основе формулы специальности 25.00.36 - Геоэкология, утвержденной ВАКом РФ.

Научная новизна и значимость полученных результатов. Впервые проведен сравнительный анализ результатов исследований состояния городской среды при использовании экспресс-методов биоиндикации и методов физико-химического анализа, показавший принципиальные различия в оценках качества среды, осуществляемых на основе данных методических подходов. Выявлены закономерности в изменениях свойств урбаноземов в процессе формирования городского ландшафта. Установлены показатели биологической активности городских почв, отражающие продолжительность и характер освоения территорий города, а также уровень их химического загрязнения.

Практическая значимость полученных результатов. Представленные в работе данные позволяют создать адекватную задачам геоэкологии программу мониторинга состояния городской среды и осуществить корректную интерпретацию результатов исследований ее состояния. Сведения о физико-химических и биологических свойствах городских почв различных участков Василеостровского района и Елагина острова могут <5ыть использованы Садово-парковым Управлением Санкт-Петербурга при проведении мероприятий по рекультивации городских почв, направленной на улучшение функционального состояния зеленых насаждений, которые выполняют в условиях города важную санитарно-гигиеническую, средообразующую и эстетическую функции.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

3. К числу показателей биологической активности почв, отражающих продолжительность, характер освоения городских территорий и уровень их химического загрязнения относятся целлюлозолитическая активность, активность почвенного дыхания, а также активность почвенных ферментов уреаза и инвертаза.

При этом в зависимости -от рассматриваемого фактора антропогенной трансформации природной среды значимость перечисленных показателей меняется.

Личный вклад соискателя. Соискателем самостоятельно проведены: сбор данных по применению физико-химических и биологических методов оценки состояния городской среды, отбор и физико-химический, а также биологический анализ проб городских почв Санкт-Петербурга, статистическая обработка и анализ полученных материалов.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертации освещались на Международной научной конференции «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (Санкт-Петербург, 2002); Научно-практической конференции «Геоэкологический мониторинг: теория и практика» (Санкт-Петербург, 2003).

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и списка используемой литературы, включающего 161 наименования. Общий объем работы - 156 страниц, в том числе: 21 рисунков и 10 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Авере Джиеки

ВЫВОДЫ

1. При анализе литературных данных установлены несоответствия результатов оценок состояния городской среды, проводимых методами биоиндикации и методами физико-химического анализа. Это является следствием принципиальных различий в подходах определения качества среды: в первом случае - биоцентрического, отражающего чувствительность выбранного биоиндикатора к изменению комплекса экологических факторов, а во втором случае - антропоцентрического, основанного на интегральных показателях (ИЗВ, коэффициент суммарного загрязнения), т.е. нормированных к ПДК значений содержания загрязняющих веществ.

2. На основе собственных результатов установлена специфичность реагирования широко используемых в экологических исследованиях биотестов на антропогенные изменения в городской среде, что может быть обусловлено как видоспецифическими особенностями толерантности используемых живых организмов (инфузорий и растений), так и разными уровнями чувствительности критериев (хемотаксис, гибель организма) оценки таких изменений.

3. Выявленные различия между: а) оценкой токсичности городских почв (по тесту «кресс-салат»), лихеноиндикационной оценкой загрязнения атмосферного воздуха; и б) дендроиндикационным экологическим зонированием территории Василеостровского района, дают основание считать, что такое экологическое зонирование, основанное на морфологических показателях изменения состояния зеленых насаждений города, в первую очередь характеризует не степень опасности антропогенного химического загрязнения жизнеобеспечивающих сред, а изменение комплекса экологических свойств городских почв. Подтверждением последнего является тот факт, что в местах произрастания зеленых насаждений, находящихся в хорошем функциональном состоянии, по сравнению с местами с угнетенными растениями, выше целлюлозолитическая активность почв, почвенное дыхание, активность ферментов уреаза и инвертаза.

5. Показано, что состояние городских почв определяется продолжительностью, а также характером освоения городской территории и отражается в показателях их биологической активности. Установлено, что в промышленных и селитебных зонах города по сравнению с рекреационными снижается активность почвенных ферментов уреазы и инвертазы, целенаправленное окультуривание городских почв скверов и газонов приводит к повышению целлюлозолитической активности, а также активности почвенного фермента уреаза.

6. Городские почвы Санкт-Петербурга характеризуются высоким уровнем загрязнения тяжелыми металлами. В почвах, с содержанием тяжелых металлов (цинка, свинца, меди) более чем в 3 раза выше регионального фона, снижаются значения многих показателей биологической активности почв, среди которых целлюлозолитическая активность, активность почвенного дыхания, активность почвенных ферментов уреаза и инвертаза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный нами анализ литературных источников по методам биоиндикации, применяемых для оценки состояния среды, демонстрирует их большое разнообразие. При этом каждый из методов биоиндикации имеет определенные ограничения и не может служить универсальным способом оценки состояния антропогенно-измененной среды, тем более тогда, когда необходимо выявить стрессирующие техногенные факторы. Несмотря на недостатки, биоиндикацию в настоящее время широко применяют для оценки антропогенных изменений в экосистемах, а также для контроля состояния различных компонентов природной среды и для выявления антропогенных зон экологического риска.

В связи с последним высказыванием отметим, что исторически в биоиндикации сформировался антропоцентрический подход. Иными словами полученные результаты, характеризующие изменения в организмах-индикаторах, зачастую интерпретируют в первую очередь с точки зрения их благополучия (или неблагополучия) для человека, а не рассмотренных представителей биоты. На самом деле такой подход не может считаться корректным, прежде всего потому, что, биоиндикация по своей сути биоцентрична, т.е. выделяемые на ее основе зоны экологического риска являются таковыми прежде всего для примененных в данных исследованиях биоиндикаторов. Для других видов, включая и человека, они могут и не являться зонами риска.

При оценке состояния городской среды существенное внимание следует уделять изучению функционального состояния почвенного покрова и растительности, как индикатора не только многолетних процессов загрязнения окружающей среды, но и чуткого звена геосистемы, реагирующего на изменения качества жизнеобеспечивающих сред - атмосферного воздуха и природных вод. Именно поэтому в данной работе большое внимание уделено изучению функционального состояния городских почв, а также анализу литературных данных, характеризующих изменения в растительности города.

Обобщение литературных данных о физико-географических, исторических и экологических особенностях территории Санкт-Петербурга позволило охарактеризовать влияние природных и антропогенных факторов на формирование современной экологической ситуации на территории города, а также определить степень соответствия оценок состояния городской среды, осуществленных физико-химическими методами и методами биоиндикации.

Установлено, что в условиях сильного антропогенного воздействия на территории Санкт-Петербурга существенно изменилось состояние природных компонентов. За счет застройки территории появились новые формы техногенного рельефа, оказывающего воздействие на направление воздушных потоков внутри города и фильтрацию вод.

В результате техногенных воздействий происходят и микроклиматические изменения городской среды, влияющие на функционирование природных комплексов. Главная с точки зрения развития экологических ситуаций особенность климата города Санкт-Петербурга состоит в том, что он оказывает существенное влияние на рассеивание выбросов от промышленных предприятий и энергетических комплексов. При этом согласно розе ветров город заметно чаще продувается ветрами западных и юго-западных направлений. Вследствие этого над западными и юго-западными районами города чаще, чем над северными и восточными, появляется более чистый загородный воздух. Кроме того, многочисленные атмосферные осадки, характерные для Санкт-Петербурга, способствуют вымыванию загрязняющих веществ из атмосферного воздуха города. Однако для города типичны и другие метеорологические явления, которые оказывают заметное отрицательное влияние на уровень антропогенного загрязнения атмосферного воздуха. Среди них в первую очередь следует указать на характерные для города туманы.

Развитие промышленности, энергетики и транспорта в городе привело к значительному химическому загрязнению природных вод. Поэтому большинство водоемов Санкт-Петербурга относятся к умеренно загрязненным и загрязненным.

В целом на территории Санкт-Петербурга наблюдаются те же процессы преобразования естественных ландшафтов, что и в других крупных городах. В частности, природные компоненты ландшафта переходят в структуру городских территориальных комплексов и по целому ряду причин уже не являются тождественными своим естественным аналогам. Поэтому и почвы в условиях города оказываются в новых условиях режима функционирования, вызванных как химическим, так и физическим (включая механическое, т.е. ландшафтно-деструкционное) антропогенным воздействиям.

Все это привело к преобразованиям биотической составляющей городского ландшафта. По-видимому, большую роль в этом процессе играет химическое загрязнение городской среды, а также тип и история землепользования на различных участках города. В целом можно сказать, что в результате формирования городской экологической системы произошли существенные изменения в видовом составе и численности растительного и животного мира. Однако имеющиеся результаты биоиндикационных исследований пока не дают возможность с уверенностью говорить о доли участия химического антропогенного загрязнения среды в процессах трансформации ценотических и функциональных показателей биоты.

Таким образом, в результате процессов формирования и развития города произошло значительное ухудшение состояние атмосферного воздуха и природных вод, а вместо естественных почв формируются специфические почвы - урбаноземы. Существенные преобразования природных ландшафтов создают острые экологические ситуации, за развитием которых следят при использовании физико-химических и биологических методов оценки состояния городской среды.

Однако даже при использовании сведений, основанных на значительном числе параметров компонентов среды, так и не удается придти к окончательному выводу о состоянии и качестве городской среды того или иного района города.

Так, например, проводя интегральную оценку экологического состояния и качества среды территорий Санкт-Петербурга, ряд авторов (Алимов, Дмитриев, Флоринская, и др., 1999), пришли к выводу, что, например, на территории Василеостровского района наиболее экологически благоприятная ситуация сложилась в его северо-западной части. Однако спустя несколько лет в литературе появились новые данные (Охрана окружающей ., 2002), характеризующие уровень загрязнения городских почв по ранее не рассмотренным показателям: содержанию в городских почвах органических токсикантов и мутагенов. Оказалось, что, считающиеся ранее относительно комфортные для человека и ряда других живых организмов, северо-западные участки Василестровского района по загрязнению почв органическими веществами (в частности, бенз(а)пиреном) по сравнению с другими территориями рассматриваемого района наиболее опасны.

Неоднозначность представлений о развивающихся экологических ситуациях на различных территориях Санкт-Петербурга обосновывает актуальность проведения исследований (включающих биоиндикационные) состояния почвенного покрова, подверженного различному по характеру и уровню антропогенному воздействию. Сведения об изменении свойств почв и их функциональных показателей играют существенную роль в понимании процессов антропогенной трансформации городской среды. Такие исследования пока находятся на начальных этапах. В результате этих исследований было выявлена неоднородность распределения биологической активности и физико-химических свойств почв по территории города, что объяснялось локальным характером различающихся по физико-химическим свойствам техногенных воздействий (Мовчан, Горбовская, Кузнецов, и др., 1999). Однако для понимания особенностей функционирования почв в условиях города требуется продолжение исследований, включающих сравнительный анализ функциональных показателей городских почв, отличающихся не только уровнем химического загрязнения, но и характером антропогенного воздействия на них.

В результате сравнительного анализа результатов оценок состояния городской среды Санкт-Петербурга, полученных при использовании различных методических подходов, нами установлено ниже следующее.

Во-первых: значительные несоответствия оценок качеств поверхностных вод, осуществленных при использовании гидрохимических показателей и результатов биотестирования. О несоответствии результатов оценок состояния компонентов городской среды по ряду биоиндикационных и химических критериев указывают и другие исследователи, рассматривающие состояние атмосферного воздуха Санкт-Петербурга (Мовчан, 2004), а также городов Беларуси (Кравчук, 2001).

Во-вторых: на примере Василеостровского района Санкт-Петербурга нами показано несоответствие оценок качества городской среды, проведенных на основе методов лихеноиндикации, экспресс-метода дендроиндикации, а также методов химического анализа загрязнения городских почв (их рассматривают как депонирующую среду атмосферного загрязнения) тяжелыми металлами. В частности, зоны экологического риска, выявленные на основе экспресс-метода оценки функционального состояния зеленых насаждений (Терехина, 1998) не совпадают с зонами загрязнения атмосферного воздуха, выделенными по лихеноиндикационным критериям (Малышева, 1998). Следовательно, ухудшение функционального состояния зеленых насаждений на некоторых участках исследованного района города может быть вызвано не столько загрязнением атмосферного воздуха, а другими причинами. К таким причинам относятся неоптимальные для растений температурный режим и влажность почв, освещенность и т.д. Эти факторы не относятся к категории «экологически опасных» (обычно эта категория рассматривается с антропоцентрической позиции), но для растений они, безусловно, являются лимитирующими. Исключить влияние таких факторов на результаты биоиндикационных исследований можно, применяя методы биотестирования проб городских почв.

Установлено, что согласно теста «кресс-салат» токсичные для растений почвы присутствуют как в западном, центральном, так и в восточном районах Васильевского острова. При этом не обнаружена четкая связь между результатами проведенного нами биотестирования и литературными данными по экологическому зонированию территории Василеостровского района, проведенного на основе экспресс-метода оценки биологических реакций зеленых насаждений. Городские почвы большей части зоны экологического риска согласно использованного нами биотеста оказалась нетоксичной.

Таким образом, при анализе литературных данных нами установлены несоответствия результатов оценок состояния городской среды, проводимых методами биоиндикации и методами физико-химического анализа. Это, на наш взгляд, является следствием принципиальных различий в подходах определения качества среды: в первом случае - биоцентрического, отражающего чувствительность выбранного биоиндикатора к изменению комплекса экологических факторов, а во втором случае -антропоцентрического, основанного на так называемых интегральных показателях (ИЗВ, коэффициент суммарного загрязнения), т.е. нормированных к ПДК значений содержания загрязняющих веществ.

В связи с последним отметим, что, как известно (Опекунов, 2001), проблемы и недостатки использования ИЗВ, а также других так называемых интегральных показателей экологического состояния природной среды (например, коэффициент суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами), определяются зависимостью его величин от перечня изученных ингредиентов. Кроме того, необходимо указать на условность градаций качества воды (это относится и к другим средам) по классам загрязнения, что резко ограничивает возможность получения реальной информации, а, следовательно, и усложняет задачу принятия правильных управленческих решений.

Кроме того, на основе полученных нами результатов биотестирования токсичности городских почв установлена специфичность реагирования широко используемых в экологических исследованиях "биотестов на антропогенные изменения в городской среде, что может быть обусловлено как видоспецифическими особенностями толерантности (выносливости) используемых живых организмов (инфузорий и растений), так и разными уровнями чувствительности критериев оценки таких изменений (изменение поведения - хемотаксис, изменение процессов индивидуального развития -гибель организма, т.е. зародыша растения).

Выявленные нами различия между: а) оценкой токсичности городских почв (по тесту «кресс-салат»), лихеноиндикационной оценкой загрязнения атмосферного воздуха; и б) дендроиндикационным {на основе экспресс-метода) экологическим зонированием территории Василеостровского района, дают основание считать, что такое экологическое зонирование, основанное на морфологических изменениях зеленых насаждений города, в первую очередь характеризует не степень опасности антропогенного химического загрязнения жизнеобеспечивающих сред, а изменения комплекса экологических свойств городских почв. Подтверждением последнего является тот факт, что в местах произрастания зеленых насаждений, находящихся в хорошем функциональном состоянии, по сравнению с местами с угнетенными растениями, выше целлюлозолитическая активность почв, почвенное дыхание, активность ферментов уреаза и инвертаза.

В результате проведенных нами исследований отмечена территориальная неоднородность городских почв по ряду рассмотренных физико-химических показателей. Это видно из значений коэффициента вариации (являющегося мерой сравнения вариабельности признака) изученных нами параметров. Наибольшая вариабельность признака отмечена нами у таких показателей, как сумма обменных оснований, содержание кальция и магния (коэффициент вариации 0,33 - 0,56). Минимальная вариабельность признака Обнаружена при оценке значений рН.

Выявлены определенные особенности городских почв, проявляющиеся в ряде физико-химических показателей их состояния.

Во-первых: как на территории Василеостровского района, так и Елагина острова повышается значение рН (до нейтрального или слабощелочного) по сравнению с зональными природными почвами. При этом более близкие к фону значения рН обнаружены в наиболее молодом участке городского ландшафта Василеостровского района - в западной его части, т.е. части района, которая наименее подвержена антропогенному воздействию, и где процессы формирования урбаноземов идут на относительно небольшом временном интервале (с начала 1970-х годов). Высокие значения рН в почвах Елагина острова являются следствием проводимого там известкования.

В-четвертых: обнаружено достоверное увеличение значений такого показателя, как сумма обменных оснований в почвах Елагина острова и восточного участка Василеостровского района по сравнению с его западным участком. Кроме этого, содержание кальция и магния в городских почвах выше, чем в природных почвах. Все это указывает на поступление в городские почвы химических соединений щелочной природы.

Характерной особенностью городских почв является также высокое содержание в них сульфатов, что, на наш взгляд, является следствием техногенного загрязнения атмосферного воздуха в городе.

Рассмотренные выше особенности, скорее всего, являются общими для городских почв не только Санкт-Петербурга, но и других городов. Во всяком случае для таких городов, как Москва, Воронеж, Иркутск, Костомукша отмечено, что первой реакцией почв на урбанизацию территории является изменение их кислотно-щелочного баланса в щелочную сторону (Девятова, Сторошенко, Дудкина, 1998; Добровольский, 1997; Горбовская, Мовчан, Герш и др., 2001; Напрасникова, Снытко, 1999).

Территориальная неоднородность городских почв обнаружена нами и при оценке показателей их биологической активности. Как и в случае рассмотрения физико-химических показателей состояния городских почв выявлены определенные особенности и их биологической активности.

Во-первых: наблюдается достоверно более высокая целлюлозолитическая активность почв Елагина острова по сравнению с Василеостровским районом, а в пределах последнего - в скверах и на газонах. Можно считать, что это следствие мероприятий по окультуриванию городских почв.

Во-вторых: наблюдается достоверно более высокая активность ферментов уреаза и инвертаза в городских почвах Елагина острова по сравнению с почвами Василеостровского района. В связи с этим отметим, что в почвах Елагина острова активность фермента уреаза соответствует ее активности в почвах пригорода Санкт-Петербурга (Федоров, 2002). Меньшую активность этих ферментов в городских почвах Василеостровского района, на наш взгляд, можно объяснить их высокой чувствительностью к химическому загрязнению, т. к. по сравнению с Елагиным островом территория Василестровского района подвержена большему антропогенному химическому воздействию. Следовательно, ферменты уреаза и инвертаза достаточно чувствительны к химическому воздействию на почвы. Здесь отметим, что на высокую чувствительность уреазы к химическому антропогенному воздействию указывают и другие исследователи (например, Федоров, 2002). Повышение активности инвертазы (гидролитического фермента, катализирующего реакцию ресинтеза высокомолекулярных органических соединений) в почвах Елагина острова, может быть и следствием повышенного там содержания этих веществ.

В-третьих: при рассмотрении разных функциональных зон Василестровского района (одна группа - детские сады и дворы, вторая группа -газоны и скверы, т.е. последние, обслуживаемые садово-парковым хозяйством города) обнаружено увеличение в почвах второй группы активности фермента уреаза, в то время как активность каталазы и инвертазы снижается.

Обобщая полученные нами данные о городских почвах можно придти к выводу, что в процессе формирования городского ландшафта происходят существенные изменения свойств почв, проявляющиеся в изменении реакции почвенной среды в сторону подщелачивания, в повышении суммарного количества кальция и магния, в увеличении суммы обменных оснований, в повышении содержания органического углерода и в повышении содержания тяжелых металлов. На этом фоне происходит снижение уровня протекания окислительно-восстановительных процессов, на что указывают значения Eh.

Кроме того, полученные нами результаты показывают, что состояние городских почв определяется продолжительностью, а также характером освоения городской территории и отражается в показателях их биологической активности. Нами установлено, что в промышленных и селитебных зонах города по сравнению с рекреационными снижается активность почвенных ферментов уреазы и инвертазы, целенаправленное окультуривание городских почв скверов и газонов приводит к повышению целлюлозолитической активности, а также активности почвенного фермента уреаза.

Статистическая обработка результатов анализа биологической активности почв показала большую вариабельность ее параметров, чем вариабельность значений физико-химических характеристик. Так, в отличие от физико-химических характеристик, коэффициент вариации которых редко превышал значение 0.5, коэффициент вариации показателей биологической активности больше, чем 0.5 и достигает 0.94. Это указывает на более значительную территориальную неоднородность городских почв по биологическим показателям. По-видимому, это отражает тот факт, что стабилизация биологических механизмов функционирования почвенной экосистемы, подверженной интенсивному механическому, физическому и химическому антропогенному воздействию более длительный процесс, нежели стабилизация ее физико-химических свойств. На существование процессов стабилизации механизмов функционирования городских почв указывают и другие исследователи (Напрасникова, Снытко, 1999). Так, например, на основании результатов изучения почв города Воронежа, выявлена конвергенция многих их свойств, при этом показано, что урбанизация деформирует многие из исход ных для территории города почв и сближает их свойства и состояния.

Сравнительный анализ биологической активности городских почв Василеостровского района с литературными данными, характеризующими функциональное состояние высших растений (при использовании экспресс-метода дендроиндикации), установил, что в пробах почв, собранных в местах произрастания растительности, находящейся в хорошем функциональном состоянии, по сравнению с пробами, соответствующими местам с угнетенными растениями, более чем в два раза выше целлюлозолитическая активность, приблизительно в три раза выше почвенное дыхание, и почти в два раза увеличивается активность уреазы и инвертазы, несмотря на то, что по содержанию гумуса и кислотности среды рассмотренные группы проб почв существенно не различаются.

На основании проведенных нами сопоставлений можно придти к выводу, что результаты дендроиндикации (основанной на экспресс-методе) городских территорий отражают не качество окружающей среды (с точки зрения -ее химического загрязнения), а степень сохранения (или восстановления) экологических свойств почв, нарушенных в результате комплекса эмиссионных, фоново-параметических и ландшафтно-детрукционный воздействий, связанных с формированием городского ландшафта.

Сказанное выше не означает, что химическое загрязнение городской среды не следует рассматривать как важный фактор преобразования природных компонентов городского ландшафта - он, безусловно, тоже влияет на экологическое состояние городских почв, а, следовательно, в конечном итоге (косвенно) и на состояние связанных с ними живых организмов.

Следует отметить, что загрязнение городских почв Санкт-Петербурга тяжелыми металлами весьма значительное. По нашим данным почвы Василеостровского района наиболее загрязнены медью, свинцом, марганцем и цинком, а почвы Елагина острова - свинцом и цинком, содержание остальных рассмотренных нами тяжелых металлов ниже регионального уровня.

При рассмотрении связи между концентрацией тяжелых металлов в исследованных пробах городских почв и их биологической активностью обнаружено, что ряд ТМ (по крайней мере, свинец и кадмий) являются активными химическими элементами, оказывающими при повышении их концентрации в городских почвах угнетающее влияние на почвенное дыхание. В наибольшей степени угнетающий эффект проявляется при содержании тяжелых металлов, превышающем значения их регионального фона. Данная закономерность отмечена нами не во всех случаях, что указывает на необходимость проведения дополнительных исследований количественных зависимостей «доза - эффект». Однако, эти исследования относятся к другой -не менее актуальной, чем рассматриваемая в данной диссертационной работе, проблеме - экологическое нормирование антропогенного воздействия на природную среду.

В целом можно сказать, что рассмотренные нами тяжелые металлы оказывают заметное влияние на биологическую активность городских почв. На это указывают результаты проведенного нами сравнения биологических показателей состояния двух групп городских почв, которые резко различаются по содержанию в них тяжелых металлов. Установлено, что повышенное (более трехкратное превышение регионального фона) содержание цинка, свинца и меди снижает значения большинства рассмотренных нами показателей биологической активности почв: целлюлозолитическую активность, активность почвенного дыхания, а также активность таких почвенных ферментов, как уреаза и инвертаза.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Авере Джиеки, Санкт-Петербург

1. Алексеев Д.К., Галъцова В.В., Кулангиева J1.B. Оценка экологического состояния донных осадков Кольского залива Баренцева моря // Вопросы прикладной экологии. - СПб.: РГМУ, 2002. - С. 65-70.

2. Алексеев В.А. Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. JI.: Наука, 1990. -200 с.

3. Алимова А.Ф., Дмитриев В.В., Флоринская Т.А. и др. Интегральная оценка экологического состояния и качества среды городских территорий СПбНЦ. СПб., 1999. - 253 с.

4. Анохин U.K. Узловые вопросы теории функциональной системы. М.: Наука, 1980.-197 с.

5. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М: Изд-во МГУ, 1970.-487 с.

6. Аристовская Т.В. Теоретические аспекты проблемы численности, биомассы и продуктивности почвенных микроорганизмов // Вопросы численности, биомассы и продуктивности микроорганизмов. Л.: Наука, 1972.-С. 7-20.

7. Аристовская Т.В. Микробиология процессов почвообразования. Л.: Наука, 1980.-187 с.

8. Аристовская Т.В., Чугунова. М.В. Определение биологической активности почв. М., 1989. - С. 65-70.

9. Армолайтис К.Э. Загрязнение почв в близи автострады Вильнюс-Каунас // Вопросы генезиса и плодородия почв Литовской ССР. Каунас, 1985. <2. 11-18.

10. Бабъева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. М.: Изд-во МГУ, 19S9. - 336 с.

11. Банарь С.А. Влияние промышленного загрязнения на зеленые насаждения города на примере Кировского района Санкт-Петербурга // Третья Санкт

12. Петербургская ассамблея молодежных ученых и специалистов. СПб., 1998.-С. И.

13. Бельчинская Л.И. Биоиндикация промышленных токсикантов древесными растениями. Воронеж: Лесотехническая академия, 2000. -93 с.

14. Биоиндикация загрязнения наземных экосистем / Под ред. Р. Шуберта. -М.: Мысль, 1988.-345 с

15. Биоиндикация в городах и пригородных зонах / Под. ред. Д.А. Криволуцкого. М.: Наука, 1993.-122 с

16. Борисенко И.Л. Техногенное загрязнение различных ярусов ландшафта в зоне влияния предприятий цветной металлургии // Биогеохимические методы при изучении окружающей среды. М., 1989. - С. 4-10.

17. Брагинский Л.П. Биологические тесты как метод индикации токсичности водной среды // Методы анализа природных и сточных вод. М., 1997. -С. 27-38.

18. Бурдин КС. Основы биологического мониторинга. М., 1985. - 265 с.

19. Вайчис М.В., Славенес Л.В., Онюнас В.М. Влияние промышленного загрязнения атмосферы на содержание микроэлементов и некоторых ТМ в растениях // Влияние промышленного загрязнения на лесные экосистемы. Каунас, 1984. - С. 42- 44.

20. Владимирова В.В., Микулина Е.М., Яргина З.Н. Город и ландшафт. М.: Мысль, 1986.-238 с.

21. Возбуцкая А.Е. Химия почвы / Под ред. акад. И.Н. Антипова-Карапаева и проф. Д.Л. Аскинази. М.: Высшая школа, 1964. - 380 с.

22. Воробьева Л.А. Химический анализ почв. -М.: изд-во МГУ, 1998.- 272с.

23. Водные объекты Санкт-Петербурга / Под ред. С.А. Кондратьева и Фрумана. СПб., 2002. - 348 с.

24. Воробейник E.J1., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем. -Екатеринбург, 1994. 289 с.

25. Воронин В.И. Дендроиндикация в системе мониторинга лесов, подверженных воздействию промышленных эмиссий // Лесопатологические исследования в Прибайкалье. Иркутск, 1989 - С.24-33.

26. Галстян А.Ш. Определение активности ферментов почв. Ереван: Айстан, 1978- 260 с.

27. Гальцова В.В., Кулангиева JI.B. Определение интегральной токсичности морской воды методом биотестирования // Труды второй международной конференции и выставки по морским интеллектуальным технологиям. -СПб., 1997. Т. 5.-С. 89-93.

28. Гальцова В.В., Кулянгиева Л.В., Ваганова И.Ю. Оценка экологического состояния водотоков Санкт-Петербурга на основе гидрохимических и гидробиологических методов. СПб., 2003. - 51 с.

29. Гальцова В.В., Кулангиева Л.В., Алексеев Д.К. Оценка экологического состояния донных осадков Кольского залива Баренцева моря // Вопросы прикладной экологии. СПб.: РГМУ, 2002. - С. 65-70.

30. Геоэкологичский атлас восточной части Финского залива. Спрвочно-информационое издание / Под ред. В.М. Питулько. СПб., 2002. - 51-е.

31. Горбовская А.Д., Мовчан В.Н., Герш Б.Н. и др. Экологическое состояние почвенного покрова г. Костомукша и прилегающих территорий // Вестник СПбГУ. Сер. 7, 2001. Вып. 1 (№.7). С. 135-140.

32. Горшков В.В. Использование эпифитных лишайников для индикации атмосферного загрязнения. Апатиты, 1991.-48 е.

33. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды в Санкт-Петербурге и Ленинградской области в 1999 году». СПб., 2000. -309 с.

34. Государственный доклад о состоянии окружающей среды Санкт-Петербурга и Ленинградской области в 1998 году. Т. 1, Т. 2. СПб., 1999.

35. ГОСТ 17.4.3.01-83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб.

36. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа.

37. Григорян С.В., Сает Ю. Е. Геохимические методы при решении некоторых экологических задач // Советская геология. 1980. №11.

38. Дмитриев В.В. Эколого-географическая оценка состояния внутренних водоемов / Автореф. дисс. . докт. геогр. наук. СПб., 2000. - 43 с.

39. Дмитриев В.В. Диагностика и прогноз состояния водных экосистем // Проблемы эколого-географической оценки состояния природной среды / Под ред. П.П. Арапова, Ю.П. Селиверстова. СПб., 1994. - с. 72- 91.

40. Дмитриев В.В. Диагностика и моделирование водных экосистем. СПб: СПбГУ, 1995.- 216 с.

41. Дмитриев В.В. Оценка экологического состояния водных объектов суши // Экология. Безопасность. Жизнь. Гатчина. 1999. Вып. 8. С. 200-217.

42. Добровольский Г.В., Никитин ЕД. Экологические функции почв // Учеб. пособие для ун-тов по спец. агрохимия и почвоведение. М.: Изд-во МГУ, 1986.-136 с.44

Информация о работе

Авере Джиеки
кандидата географических наук
Санкт-Петербург, 2004
ВАК 25.00.36

Диссертация

Оценка состояния городской среды методами биоиндикации - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы