Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биогеохимическая характеристика некоторых древесных культур г. Усть-Каменогорска

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Биогеохимическая характеристика некоторых древесных культур г. Усть-Каменогорска"

На правах рукописи

ГАЛЯМОВА Гульмира Калелбаевна

БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕКОТОРЫХ ДРЕВЕСНЫХ КУЛЬТУР Г. УСТЬ-КАМЕНОГОРСКА

03.02.08 - Экология (биология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

18 ц;ол Ш

Астрахань 2013

005531510

Работа выполнена в РГП на ПХВ «Семипалатинский государственный педагогический институт» ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет»

Научный руководитель: Панин Михаил Семенович, доктор

биологических наук, профессор

Научный консультант: Волкова Ирина Владимировна, док-

тор биологических наук, профессор

Официальные оппоненты: Сангаджиева Людмила Халгаевна,

доктор биологических наук, профессор Калмыцкого государственного университета

Рогачева Светлана Михайловна, доктор биологических наук, доцент, заведующая кафедрой «Природная и техносферная безопасность» ФГБОУ ВПО "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А."

Ведущее учреждение: ФГБОУ ВПО «Алтайский государст-

венный университет»

Защита состоится 3 июля 2013 года в 12 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.307.001.05 при ФГБОУ ВПО Астраханском государственном техническом университете по адресу: 414056 г. Астрахань, ул. Татищева, 16

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Астраханского государственного технического университета

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах с печатью организации и заверенными подписями по адресу: 414056 г. Астрахань, ул. Татищева,16 E-mail: melyakina_el@mail.ru

Автореферат разослан « 3 » 1О-0к $ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета у), кандидат биологических наук, доцент / Э.И. Мелякина

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Актуальность исследования обусловлена необходимостью оценки экологического состояния таких сложных систем, как городские агломерации, в пределах которых имеет место интегральное воздействие большого числа негативных факторов, приводящее к значительному ухудшению условий жизни населения.

Город представляет собой модель крайне неустойчивой и уязвимой системы, утратившей способность к самовосстановлению, т. е. не способной противостоять негативным экологическим факторам. Степень экологического риска возрастает для всех компонентов урбоэкосистем: воздуха, древесной растительности, почвы, воды.

Наибольшую опасность для биоты представляют тяжелые металлы (ТМ), поступающие в составе газопылевых выбросов промышленных предприятий вследствие высокой токсичности и мутагенности. Наиболее опасными в этом смысле являются тяжелые металлы 1 и 2 классов токсичности (свинец, кадмий, никель, кобальт, медь и цинк).

Следует отметить, что среди спектра исследуемых компонентов урбоэкосистем большое внимание отводится древесным насаждениям и почвенному покрову. Как известно, почва в урбоэкосистеме — мощный своеобразный фильтр, поглощающий и до некоторой степени обезвреживающий токсичные выбросы. Химический же состав листьев, так называемый «листовой анализ», является одним из самых информативных показателей при разных типах и уровнях эмиссионных нагрузок (Эверт и др., 1981; Михайлова, Анциферова, 1991; Копцик и др., 2008, Уфимцева, 2005).

Все вышесказанное определяет важность и необходимость проведения эколого-геохимической оценки загрязнения хвои и листьев древесных растений как естественного накопителя химических элементов в летний и зимний периоды на территории природно-антропогенных комплексов.

Цель работы - на основании результатов исследования хвои и листьев древесных растений дать биогеохимическую характеристику загрязнения окружающей природной среды тяжелыми металлами территорий города Усть-Каменогорска.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследования:

1) определить содержание валовых и подвижных форм ТМ (Си, Ъх\, Сс1, РЬ, Со, N1) в почвах г. Усть-Каменогорска;

2) выявить зональность в распределении ТМ в почвах г. Усть-Каменогорска;.

3) изучить содержание РЬ, Сс1, Си, Ъп, Со, N1 в различных древесных породах г. Усть-Каменогорска;

4) выявить закономерности накопления ТМ в хвое деревьев в зависимости от возраста и сезона года, от преобладающего направления ветра, расстояния от Рид дерского цинкового завода;

5) проанализировать взаимосвязь элементного состава хвои и листьев древесных культур с содержанием доступных форм элементов в почвах городской среды.

Научная новизна работы. Впервые дана комплексная биогеохимическая оценка загрязнения ТМ хвои и листьев древесных растений, почв г. Усть-Каменогорска. На основе полученных данных выявлены сезонные, возрастные и видовые особенности накопления ТМ хвоей и листьями деревьев г. Усть-Каменогорска. Проведена сравнительная оценка уровня аккумуляции тяжелых металлов в хвое ели, сосны, листьях березы, тополя, вяза, наиболее часто используемых для озеленения города. Выявлены особенности загрязнения ТМ в различных зонах города в зависимости от валового содержания и его форм в почвах г. Усть-Каменогорска.

Составлены карты-схемы (М 1:100 ООО) загрязнения территории г. Усть-Каменогорска тяжелыми металлами, оценки почвенного покрова, хвои и листьев древесной растительности.

Теоретическая и практическая значимость. Выявление уровня загрязнения валовыми и подвижными формами тяжелых металлов в почвах г. Усть-Каменогорска, а также оценка состояния древесных растений имеют большое значение для дальнейшего экологического мониторинга почвенного покрова и деревьев, а также возможных мероприятий по охране и рекультивации нарушенных земель. Полученные материалы представляют интерес для природоохранных и административных органов по оценке качества городской территории и принятию мер по ее улучшению, а также по разработке нормативов загрязняющих веществ на городских территориях.

Карты-схемы валового содержания и форм соединений тяжелых металлов в почвенном покрове, а также в хвое и листьях деревьев найдут применение при эколого-биогеохимической оценке г. Усть-Каменогорска.

Результаты включены в курс лекций по дисциплинам «Биогеохимия», «Химическая экология», «Экотоксикология», «Мониторинг окружающей среды, «Экология растений», «Биоиндикационные методы исследований» для студентов, обучающихся по специальностям «Экология», «Биология».

Апробация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертации, представлены и обсуждены на следующих научных собраниях: на III Международной научно-практической конференции (Караганды, 2004), Международной научно-практической конференции «Валихановские чтения - 10» (Кок-шетау, 2004), 59-й Республиканской конференции молодых ученых и студентов (Алматы, 2005), IV и V Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2004,2006), V Международной биогеохимической школе «Актуальные проблемы геохимической экологии» (Семипалатинск, 2005), Международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2005).

Основные положения, выносимые на защиту

1. Загрязнение почв г. Усть-Каменогорска носит полиметаллический и неравномерный характер и определяется содержанием тяжелых металлов в выбросах промышленных предприятий, объектов теплоснабжения и автомобильного транспорта.

2. Уровень загрязнения хвои и листьев деревьев зависит от видовых особенностей растений, сезона года, расстояния от источника выбросов вредных веществ.

Публикации результатов исследования. Материалы диссертации изложены в 14 публикациях в сборниках материалов конференций, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах ВАК России.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 157 страницах, содержит 33 таблицы, 12 рисунков. Состоит из введения, 3 глав, выводов и приложений. Список литературы включает 239 источников, в том числе 62 -зарубежных.

Глава 1. Тяжелые металлы в почвах, хвое и листьях древесных растений

(обзор литературы)

Приводится обзор литературных данных по элементному составу хвои и листьев древесных растений в урбоэкосистемах. Обсуждается влияние техногенного загрязнения окружающей среды индустриально развитых городов на уровень накопления тяжелых металлов в почвах и древесных растениях. Показана устойчивость древесных культур в условиях городской среды.

Глава 2. Характеристика природных условий района исследования, материалы и методы

Площадь г. Усть-Каменогорска составляет 230 км2. Город расположен на равнинном участке, образованном долинами рек Ульба и Иртыш при их слиянии и окруженном с севера, востока, юга и юго-запада отрогами горных хребтов высотой до 800 м. Долина остается открытой только в северо-западном и в меньшей степени в юго-восточном направлении, что значительно сдерживает возможность быстрого рассеивания выбросов токсических элементов в воздушный бассейн города предприятиями-загрязнителями.

Город Усть-Каменогорск расположен в пределах Иртышской зоны смятия, являющейся весьма важным экологическим фактором. Палеозойские породы и останцы неогена на территории города перекрываются мощной толщей четвертичных аллювиальных и делювиальных отложений, представленных лессовидными суглинками, сланцами и прослоями песка и гравия.

Территория города представлена черноземными степями в биогенных ландшафтах суши; почвы — черноземы обыкновенные суглинистые и солонцеватые, а также дерново-глеевые аллювиальные слоистые (поймы Иртыша, Упь-

бы и долины малых водотоков). Все почвы имеют слабокислую и нейтральную реакцию (pH от 6,8 до 8,1), среднюю (в суглинистых разновидностях) и низкую (в супесчаном и песчаных разновидностях) величину емкости поглощения (1522 мг-экв./100 г почвы); содержание гумуса составляет 3-6 %.

Ежегодные валовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу г. Усть-Каменогорска только от стационарных источников составляют от 72,5 т до 111 тыс. т, выбросы от передвижных источников — 51 тыс. т.

Максимальное содержание химических элементов на аэрозолях в атмосферном воздухе города (в мкг/м3) составляет: РЬ- 4,5, V - 2,1, Bi - 1,9, Cd -1,3, Cu - 20, Se - 0,23, Sb - 5,7, Zn - 710, S - 240 (О состоянии..., 2009).

Исследования были проведены на территории г. Усть-Каменогорска, а также вблизи цинкового завода ОАО «Казцинк» г. Риддер.

Объектом исследования в зоне влияния Риддерского цинкового завода послужила хвоя ели сибирской (Picea obovata Ledeb.j. Географические координаты завода района исследований - 50°21' северной широты и 83°31' восточной долготы.

Была отобрана хвоя Р. obovata Ledeb. на 7 модельных площадках, расположенных в нарастающем удалении от завода на расстоянии 0,5; 1,0; 1,5; 3.0; 5,0 км по розе ветров (северо-восток и юго-запад). В качестве контроля служила хвоя Picea obovata Ledeb., отобранная на расстоянии 60 км в противоположную сторону от розы ветров. Отбор проб был произведен с елей 30-50-летнего возраста. Всего проанализировано 56 проб хвои ели.

Биогеохимическое исследование территории г. Усть-Каменогорска велось в течение 2003-2011 гг. по плану-схеме (М 1:100 000). Географические координаты центра района исследований - 49°59' с. ш. и 82°37' " в. д.

Исследованы пробы почв (глубина 0—5 см), хвоя и листья древесных растений, отобранные с 69 пробных площадок площадью 100—150 м2. Было проанализировано 228 проб хвои и листьев древесных растений в трех повторно-стях.

Согласно ГОСТам и методическим рекомендациям (Методические рекомендации... 1981, 1982) проводился отбор проб почв, листьев деревьев и хвои, которые транспортировались, хранились, также велась подготовка к их анализу. Привязка проб почв осуществлялась с помощью прибора спутникового позиционирования GPS.

Глубина отбора проб определялась характером поведения техногенной составляющей в вертикальном профиле почв. Горизонт 0-5 см содержит свыше 70 % их запаса и признан наиболее представительным для опробования (Панин, 2005).

Отбор проб почв осуществляли методом «конверта» путем осреднения материала из 5 частных проб. Пробы высушивали до воздушно-сухого состояния и просеивали через сито с диаметром отверстий 1 мм.

Отношение «почва : раствор» выдерживали в пропорции 1 : 10. Навески почв массой 10 г помещали в колбы, добавляли по 100 мл растворов соответствующих экстрагентов, встряхивали на ротаторе в течение 1 часа, после отстаивания фильтровали и в фильтрате выявляли концентрацию ионов ТМ. В почвах

6

определялись валовая и формы соединений тяжелых металлов: обменная (ААБ, pH 4,8), кислоторастворимая (1 н. р-р HCl) и форма, переходящая в водную вытяжку (экстрагент Н20) (ГОСТ 28168-89 Почвы..., 1989; Методические рекомендации..., 1982). Всего проанализировано 280 проб почв в трех повтор-ностях.

Северная, центральная (селитебная), северо-восточная и южная - четыре зоны города, которые нами условно разделены.

Среди древесных пород были исследованы наиболее распространенные виды хвойных и лиственных пород деревьев, произрастающие в различных по антропогенной нагрузке территориях города Усть-Каменогорска: хвоя ели сибирской (Picea obovata LedebJ, сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.J, листья тополя черного (Populus nigra L.), березы повислой (Betula pendula Roth.), вяза листоватого (Ulmus foliáceo) и вяза приземистого (IJlmus pumila L.).

Методом средней пробы проводился отбор проб листьев, хвои на расстоянии вытянутой руки (2-3 м) с 5—7 модельных деревьев в нижней части кроны с внешней ее стороны (по окружности). Для учета накопления в условиях городской среды брали образцы в вегетационный период (август), а также в период покоя хвойных деревьев в феврале. Побеги хвойных деревьев разбирали по возрастным фракциям до 4-го года включительно. Хвою и листья деревьев промывали трижды проточной, дважды - дистиллированной водой для удаления элементов, осаждающихся на листовой поверхности. После сушки при комнатной температуре и озоления в муфельной печи при 450 °С пробы вскрывали разбавленной HCl (1:1).

Для оценки накопления тяжелых металлов в почве, хвое и листьях деревьев были рассчитаны следующие эколого-геохимические показатели:

- кларк концентрации (К„) - отношение валового содержания элемента в данной системе к кларку элемента в земной коре;

- коэффициент концентрации (IQ - отношение содержания металла в почве к его фоновому значению;

- коэффициент опасности (К„) - отношение содержания металла в почве к предельно допустимой концентрации металла;

- суммарный показатель загрязнения, предложенный Ю. Е. Саетом (1990), представляющий собой аддитивную сумму превышений коэффициентов концентраций (рассеяния) над единичным (фоновым) уровнем:

i i

где Кс - коэффициент концентрации (отношение содержания химического элемента в оцениваемом объекте к его фоновому содержанию, п - число химических элементов, входящих в изучаемую ассоциацию, С, — аномальное содержание, Сф - фоновое содержание;

- коэффициент накопления (Кн) - отношение концентрации тяжелых металлов в растениях к концентрации тяжелых металлов в почве.

Глава 3. Результаты исследований 3.1. Содержание тяжелых металлов в почвах г. Усть-Каменогорска

3.1.1. Валовое содержание тяжелых металлов в почвах г. Усть-Каменогорска

Валовое содержание тяжелых металлов в почвах г. Усть-Каменогорска представлено в таблице 1.

По величине среднего валового содержания исследуемые элементы располагаются в следующем убывающем порядке:

Ъа. > РЬ > Си > № > Со > Сб.

Установлено, что загрязнение города Усть-Каменогорска носит неравномерный характер. В почвах города максимальное содержание Ъл превышало его минимальное в 32,5 раза, РЬ - в 8,2 раза, Си - в 41,5 раза, Сс1 -в 18,9 раза, Со -в 2,6 раза, № - в 3,0 раза.

Таблица 1 — Валовое содержание металлов в почвах г. Усть-

Элемент Нт Х±х а % Контроль

Ъх\ 100-3250 804,4 ± 88,5 734,7 91,3 105

С<1 0,9-17 3,5 ± 0,4 3,2 91,7 0,8

РЬ 25-2130 378,3 ± 56,6 469,5 124,1 20,0

Си 10-415 66,6 ± 10,7 88,8 133 4,5

Со 2,8-7,3 5,17 ± 0,1 1,15 22,2 2,3

№ 9,8-29 16,2 ±0,5 3,8 23,3 7,5

По величине среднего коэффициента вариации (%) ТМ образуют следующий убывающий ряд:

Си (133) > РЬ (124) > Сё (91, 7) > Ъп (91,3) > № (23,3) > Со (22,2).

Средняя концентрация химических элементов в почвах г. Усть-Каменогорска (за исключением кобальта и никеля) в 1,4—26,9 раза выше их кларка в земной коре и в 3,3—37,8 раза (за исключением кобальта и никеля) их кларка в почве (табл. 2). В почвах города от 14,5 до 72,5% проб, содержащих тяжелые металлы, превышает их ПДК по К1оке А. Среди загрязнителей почв прежде всего необходимо отметить цинк, свинец, кадмий, медь. Валовое содержание кобальта и никеля в исследованных почвах не превышает их ПДК.

Среднее содержание по кадмию в 17,5 раза, свинца в 19 раз, цинка в 23,9 раза, меди в 3,4 раза выше их регионального кларка в почве Восточно-Казахстанской области.

Уровень концентрации химических элементов в почвах различных зон г. Усть-Каменогорска неодинаков, что связано со спецификой разнопрофильных производств, их неодинаковой техногенной нагрузкой, степенью очистки выбросов и т. д. (таблица 2).

Установлено, что валовое содержание ¿п, РЬ, Си, Cd максимально в пробах почв, отобранных в северной и центральной (селитебной) зонах Усть-Каменогорска, что обусловлено нахождением там крупных промышленных предприятий, осуществляющих максимальное количество выбросов в городе. В северной зоне среднее содержание свинца в 9,1 раза выше, чем в южной, соответственно цинка - в 6,0 раза, кадмия - в 3,4 раза, меди - в 5,8 раза. Наименьшие концентрации ТМ отмечены в южной зоне, что объясняется отсутствием промышленных предприятий и барьерными функциями реки Иртыш.

Таблица 2 - Содержание химических элементов в почвах различных зон _ г. Усть-Каменогорска__

Элемент Северная зона {п= 16) Центральная (селитебная) зона (« = 28) Северо-восточная зона (л =16) Южная зона (и = 9)

Си 127.9 ±28.3(88) 21-395 69,5 ± 17,7(134) 15,0-415,0 25,0 ±2,1(33.3) 13-43 22,2 ±3,6(49) 10-47

Zn 1438.4 ± 247(68,8) 300-3250 820.5 ± 115(74,4) 200-3250 459,4 ± 52,0(45.3) 150-775 240,3 ± 38.3(48) 100-475

Cd 6,1 ±0,8(51) 2,09-13,8 3,2 ± 0.7(107) 1,0-17 2.4 ± 0.57(95.5) 0,9-10,6 1,8 ±0,2(31) 1,02-2,6

Pb 672.3 ± 154(91) 75-2130 397.7 ±79 (106) 50,0-1760 221,7 ± 86(156) 35-1500 73,7 ± 14.5(59) 25-138

Со 5.2 ±0.3(22) 2,8-7,3 5.3 ±0.2(21) 3,0-7,3 5,0 ±0,27(21) 3,0-6,7 5.0 ± 0.5(30) 3,0-6,8

Ni 16.0 ± 1.0(25) 10,8-26,3 16.5 ±0.7(22,4) 11,0-29 15.2 ±0.8(21) 10,8-21,8 17.3 ± 1.6(27) 9,8-22,5

Примечание: в верхней строчке - средняя арифметическая и ее ошибка, мг/кг; в скобках - коэффициент вариации, %; в нижней - предел колебаний, мг/кг.

В распределении тяжелых металлов в почвах города отмечена четкая зональность, выражающаяся в уменьшении спектра токсикантов и снижении их концентраций по мере удаления от центра к периферии.

Самые высокие концентрации химических элементов в почвенном покрове отмечены в северной и центральной зонах города.

Дана оценка уровня содержания тяжелых металлов и суммарного содержания загрязняющих элементов почвы различных зон города (рисунок).

В среднем для почв города Усть-Каменогорска характерна свинцово-медно-цинковая геохимическая специализация (Pbi8 9 > Cu148 > Zn7>7 > Cd43 > Со2 3 > N¡2,2).

Согласно классификации Саета (Сает, 1991), почвы северной и центральной (селитебной) зон относятся к высокой степени загрязнения (Zc 32-128), почвы северо-восточной, южной зон города - к умеренно опасной степени загрязнения (Zc 16-32).

Рисунок - Карта-схема распределения суммарного коэффициента загрязнения тяжелых металлов в почвах г. Усть-Каменогорска

Эколого-геохимическое состояние почв района охарактеризовано коэффициентом концентрации (Кс), коэффициентом опасности (К„) и кларком концентрации (Кк).

Данные коэффициенты отражают увеличение содержания химических элементов в исследуемой почве в сравнении с фоном (Кс), ПДК (К0) и кларком в земной коре (Кк).

Средний кларк концентрации (Кк) химических элементов в почвах колеблется от 0,3 (никель, кобальт) до 27,1 (кадмий), коэффициент концентрации (Кс) — от 2,2 (кобальт) до 18,9 (свинец) и коэффициент опасности (К0) - от 0,05 (кобальт) до 11,7 (свинец).

По величине среднего кларка концентрации исследованные металлы образуют следующий убывающий ряд:

Сс1 > РЬ > гп > Си > Со = №.

По среднему коэффициенту концентрации элементы располагаются в следующем убывающем порядке:

РЬ > Си > 2п > № > Сс1 > Со.

По величине коэффициента опасности исследованные тяжелые металлы располагаются в следующем убывающем порядке:

РЬ > ¿п > Сс1 > Си > № > Со.

Определены классы содержания химических элементов и их процент в почвах города.

Самый высокий класс валового содержания меди ( > 30) составляет 46 % территории города, соответственно цинка ( > 900) - 30 %, кадмия (1,5-3,0) — 43 %, свинца ( > 300) -32%, кобальта (4,0-6,0)-51 %, никеля (15-20) -62 % территории города.

3.1.2. Содержание кислоторастворимой формы в почвах

Содержание кислоторастворимых форм тяжелых металлов (экстрагент -1 н. раствор НС1) в почвах г. Усть-Каменогорска представлено в таблице 3.

В зависимости от природы химического элемента средняя концентрация кислоторастворимой формы варьирует от 2,3 мг/кг (Со) до 317 мг/кг (7п).

Геохимическая структура почв г. Усть-Каменогорска имеет следующий

вид:

Ъл (317) > РЬ (219,5) > Си = № (4,3) > Сс1 (2,5) > Со (2,3).

Исследуемые химические элементы в почвах города по величине коэффициента варьирования формируют следующий убывающий ряд (%): Си (123) > РЬ (120) > Сс1 (96,6) > Хп (57,9) > Со(30,3) > № (25,8).

Средняя концентрация кислоторастворимых форм химических элементов выше фоновых показателей в 1,5-31,8 раза. Наиболее высокие показатели характерны для свинца (в 31,8 раза), кадмия (в 5,8 раза), цинка (в 7,5 раза), минимальные - для кобальта (в 1,5 раза), меди (в 1,9 раза), никеля (в 2,0 раза).

Средняя концентрация кислоторастворимой формы свинца выше его водорастворимой формы в 196 раз, ионообменной формы - в 17,3 раза; соответственно меди - в 39,1 раза (в 5,4 раза); цинка - в 144,1 раза (в 13,0 раза); кадмия - в 35,0 раза (1,5 раза); кобальта - в 76,7 раза (в 7,4 раза), никеля -в 17,2 раза (4,8 раза).

Таблица 3 - Вариационно-статистические показатели содержания кисло-

торастворимых форм элементов в почвах г. Усть-Каменогорска, мг/кг

Элемент Пт Х±х о, мг/кг к% Фон Кс

Ъл 65-900 317 ±22,2 183,9 57,9 42,6 7,4

С<1 0,5-10,3 2,45 ± 0,3 2,4 96,6 0,42 6,0

РЬ 10-1250 219,5 ± 31,7 263,5 120 6,9 31,8

Си 0,23-32,5 4,3 ± 0,6 5,3 123 2,3 1,9

Со 0,9-3,9 2,3 ± 0,08 0,7 30,3 1,5 1,5

№ 1,3-6,4 4,3 ±0,13 1,1 25,8 2,1 2,0

Примечание: Кс - коэффициент концентрации

Сравнивая среднее содержание кислоторастворимых форм соединений с имеющимися утвержденными ОДК (Ильин, 1991) для данных форм следует отметить, что содержание кислоторастворимых форм цинка (ОДК = 60 мг/кг) превышает допустимый уровень в 13,4 раза, меди, никеля (ОДК = 50-100 мг/кг и 36 мг/кг соответственно) не превышает допустимый уровень.

В исследованных нами почвах доля извлечения ТМ колебалась в среднем от 7,8 % (Си) до 67,02 % (Сс1), что свидетельствует о высокой степени загрязнения большинства почв г. Усть-Каменогорска этими элементами.

По величине подвижности (%) от валового содержания исследуемые химические элементы располагаются в следующем убывающем порядке:

Сс1 (67,0) > РЬ (58,2) > гп (49,8) > Со (45,7) > № (27,02) > Си (7,8).

Согласно проведенным исследованиям, высокое содержание кислоторастворимых форм соединений Си, Хп, Сс1, РЬ отмечено в пробах, отобранных в северной зоне города (таблица 4). Минимальные концентрации кислоторастворимых форм вышеуказанных металлов находятся в почвах на территории южной зоны города. Концентрации Со и N1 примерно одинаковы во всех зонах.

Исследуемые тяжелые металлы по величине коэффициента вариации можно представить следующим убывающим рядом (%).

Северная промзона: Си (61) > № (58) > РЬ (57,2) > Хп(АЪ) > Со (24,6) > Сё

(24).

Центральная (селитебная) зона: Си (143,3) > РЬ (117) > С<1 (100,9) > гп(56) > Со (27,8) > N1 (22).

Северо-восточная зона: РЬ (215) > Сё (110,4) > Си (51) > Тп(Щ > Со (34) > № (30).

Южная зона: РЬ (77) > Си (65) > гП(62) > Со (43) > М (36) > Сс1 (25)

Среднее содержание кислоторастворимых форм Си в северной зоне превышает таковое в южной зоне в 3,5 раза; Сс1 - в 4,1 раза; '/.п-в 2,9 раза; РЬ -в 9,0 раза (таблица 4). Содержание никеля и кобальта во всех зонах примерно одинаково.

Таблица 4 - Содержание кислоторастворимых форм химических элемен-

тов в почвах различных зон г. Усть-Каменогорска

Элемент Северная зона Центральная(селитебная) зона Северо-восточная зона Южная зона

Си 7.01 ± 1,07(60 1,0-15,0 5,0 ± 1,3(143,3) 0,5-32,5 1.9 ±0.2(51) 0,2-3,8 2,0 ±0,4(65) 0,7-5,0

гп 421.7 ±44.8(42.51 190-900 353.8 ± 37.3(55.8) 75-800 245,8 ± 24.3(39.5) 103,5-430 145.7 ±30.1(62) 65-340

Сй 4.5 ± 0,3(24) 3,0-6,4 2,2 ±0,4(100,9) 0,5-10,3 1,6 ±0.4(110.4) 0,5-8,0 1,1 ±0,1(25) 0,8-1,6

РЬ 406 ±58.1(57) 65,0-900 211,1 ±47(117) 12-980 139 ±75(215) 12-1250 45.0 ± 11.6(77) 10,0-110,0

Со 2.46 ±0,1(24.6) 1,8-3,8 2.3 ±0.1(27,8) 0,1-3,6 2,1 ±0,2(34) 1,2-3,4 2.3 ±0.3(43) 1,0-3,9

N1 4.5 ±0,7(58) 1,3-9,1 4.3 ± 0.2(22) 0,2-5,9 4.1 ±0.3(30) 1,3-6,2 4.1 ±0.5(36) 2,3-6,0

Примечание: в верхней строчке - средняя арифметическая и ее ошибка, мг/кг; в скобках - коэффициент вариации, %; в нижней - предел колебаний, мг/кг.

В северной и центральной (селитебной) зонах содержатся максимальные концентрации и валового содержания тяжелых металлов в почвах. Рассчитанные коэффициенты корреляции свидетельствуют о том, что содержание кислоторастворимых форм свинца, меди и кадмия в изучаемых почвах напрямую зависят от их валового содержания. Установлена высокая достоверная корреля-

ция между содержанием валовых и кислоторастворимых форм свинца, меди, кадмия и в почвах г. Усть-Каменогорска (г=0,9).

В среднем для подвижных форм химических элементов почв города Усть-Каменогорска характерна свинцово-цинково-кадмиевая геохимическая специализация (Pb3i,8Zn7i4Cd5,8 Ni2,2Cu1,9Co1,5).

Нами также определены классы содержания химических элементов в почвах города.

Установлено, что самый высокий класс кислоторастворимых форм меди (2,0-4,0) составляет 28 % территории города, соответственно цинка (150—300) -36 %, кадмия (>1,5) - 56%, свинца (>150) - 39 %, кобальта (2,0-3,0) -49 %, никеля (3,0-4,5) -49 %.

3.1.3. Уровень ионнобменной формы тяжелых металлов в почвах

С целью выявления общего запаса доступных для растений элементов использовали ААБ с рН 4,8.

Исследования показали, что содержание обменных форм соединений (в мг/кг) в почвах города Усть-Каменогорска колеблется от 0,3 до 24,3: меди -от 0,03 до 11, цинка - от 3,5 до 45, кадмия - от 0,13 до 8,6, свинца - от 0,5 до 120, кобальта-от 0,01 до 0,8, никеля-от 0,017 до 2,9 (таблица 5).

Таблица 5 - Вариационно-статистические показатели содержания подвижных форм соединений (экстрагент ААБ с рН 4,8) тяжелых металлов в поч-__вах г. Усть-Каменогорска, мг/кг__

Элемент X ±х с V,% lim % от валового

Си 0,8 ± 0,2 1,5 186 0,03-11 1,3

Zn 24,31 ± 1,4 11,5 47,3 3,5-45 4,1

Cd 1,65 ±0,26 2,2 131 0,13-8,6 5,6

Pb 12,7 ± 2,6 21,5 169,2 0,5-120 3,4

Со 0,31 ±0,02 0,17 55,7 0,01-0,8 6,2

Ni 0,9 ± 0,08 0,7 75,0 0,017-2,9 1,6

По величине среднего коэффициента вариации исследуемые металлы образуют следующий убывающий ряд:

Си (186) > РЬ (169,2) > Сс1 (131) > № (75,0) > Со (55,7) > Ъа (47,3) Среднее содержание ионообменной формы свинца в почвах превышает фон (3,5 мг/кг) в 3,6 раза, кадмия (0,15 мг/кг) - в 4,1 раза, цинка (16 мг/кг) -в 1,5 раза, кобальта (0,2 мг/кг) — в 1,5 раза. Содержание обменной формы меди и никеля примерно соответствует их фоновым уровням.

Средняя концентрация ионообменной формы свинца выше его водорастворимой формы в 11,3 раза, меди - в 7,3 раза, цинка - в 11,05 раза, кадмия - в 23,6 раза, кобальта-в 10,3 раза, никеля-в 3,6 раза.

По величине подвижности (%) от валового содержания исследуемые химические элементы располагаются в следующем убывающем порядке:

Сй (46,9) > Со (6,0) > N1 (5,6) > РЬ (3,4) > Ъп (3,0) > Си (1,2)

На основании полученных данных нами составлены классы содержания и карты-схемы ионообменных форм (СН3СООМН4, рН 4,8) химических элементов в почвах города Усть-Каменогорска.

Наибольший класс содержания обменной формы меди (<0,3) составляет 40 % территории города, соответственно цинка (>30) - 40,5 %, кадмия (0,5-1,0) - 32%, свинца (<3,0) -31%, кобальта (>0,3) -47 %, никеля (0,4-0,8) - 26 %.

3.1.4. Концентрация водорастворимой формы тяжелых металлов в почвах

Геохимическая структура почв г. Усть-Каменогорска по величине концентрации водорастворимой формы ТМ имеет следующий вид:

Ъп (2,2) > РЬ (1,12) > № (0,25) > Си (0,11) > Сс1 (0,07) > Со (0,03).

Доля водорастворимой формы химических элементов от их валового содержания в почвах города составляет от 0,2 до 1,5 %. Наибольший процент водорастворимой формы от его валового содержания выявлен у кадмия (1,5 %), наименьший - у меди (0,2 %).

Таблица 6 - Вариационно-статистические показатели содержания водорастворимых форм соединений тяжелых металлов в почвах ____г. Усть-Каменогорска, мг/кг__

Элемент Х±х а V. % Нш % от валового содержания

Си 0,11 ±0,02 0,2 174 0,01-1,1 0,2

Хп 2,2 ± 0,3 2,4 107 0,1-10,5 0,3

Сё 0,07 ±0,01 0,01 158 0,01-0,5 1,5

РЬ 1,12 ±0,3 2,1 190 0,1-12 0,3

N1 0,25 ± 0,02 0,02 81,3 0,005-0,75 0,6

Со 0,03 ± 0,003 0,003 72,4 0,002-0,1 0,6

По величине среднего коэффициента варьирования исследуемые элементы образуют следующий убывающий ряд (%):

РЬ (190) > Си (174) > Сс1 (158) > Ъп (107) > № (81,3) > Со (72,4).

Среднее содержание водорастворимой формы свинца превышает фоновый уровень (0,1 мг/кг) в 11,2 раза, кобальта (0,01 мг/кг) - в 3,0 раза, кадмия (0,03 мг/кг) - в 2,3 раза, цинка (1,5 мг/кг) - в 1,5 раза. Содержание водорастворимой формы меди и никеля в пробах почв города несколько ниже их форм, отобранных в фоновых условиях. На основании полученных данных составлены карты-схемы содержания водорастворимых форм химических элементов, а также выявлены классы содержания химических элементов, определен их процент в почвах города Усть-Каменогорска.

Наибольший процент проб Си <0,03 составляет 46 %, соответственно Хп (<0,03) - 39 %, Сё (<0,02) - 40 %, РЬ (<0,3) - 45 %, Со (<0,02) - 34 %, № (<0,1) -37 %.

3.2. Тяжелые металлы в хвое и листьях древесных растений г. Усть-Каменогорска

3.2.1.Зольность хвои и листьев деревьев г. Усть-Каменогорска

Важным биогеохимическим показателем, характеризующим соотношение минеральных и органических веществ в растительном организме, является зольность растений. Она характеризует приспособленность к условиям произрастания. Чем выше зольность, тем лучше приспособлено растение к данным условиям. Зольность также характеризует газопоглотительную способность растений, тем самым можно получить информацию о степени загрязненности атмосферного воздуха.

По среднему содержанию золы в хвое и листьях древесных растений (в %) можно расположить исследуемые виды в следующий убывающий ряд: Ulmus pumila L.(12,5) > Populus nigra L.(ll,8) > Ulmus foliacea (11,4) > Betula pendula Roth.(8,6) > Picea obovata Ledeb.(5,6) > Finns silvestris L.(4,2).

Средняя зольность в листьях P. nigra L., U. foliacea, U. pumila L. превышает зольность листьев В. pendula Roth., хвои P. obovata Ledeb. и P. silvestris L. в 1,3-2,9 раза, что говорит о высоком аккумуляционном потенциале, а следовательно, и большей устойчивости данных видов деревьев к техногенному загрязнению.

Анализ корреляционных связей показал, что в хвое P. obovata Ledeb. существует прямая, сильная связь между содержанием меди, кадмия, цинка, свинца и зольностью. Коэффициент корреляции соответственно равен 0,9; 0,8; 0,8; 0,8. В хвое P. silvestris L., наоборот, наблюдается тесная обратная связь между содержанием кадмия и зольностью (г = -0,8).

3.2.2.Среднее содержание ТМ в хвое и листьях древесных пород г. Усть-Каменогорска

Содержание ТМ в г. Усть-Каменогорске колеблется в широких пределах (таблица 7).

По степени возрастания концентраций элементов в хвое и листьях древесных растениях в расчете на сухую биомассу (в мг/кг) их можно расположить в следующий геохимический ряд:

Zn > Pb > Cu > Ni > Cd > Co.

Коэффициент вариации Cu в хвое и листьях древесных пород в зависимости от видовых особенностей колеблется от 11,5 до 97 %, Zn — от 18 % до 84 %, РЬ - от 21 %до 195%.

Наибольший коэффициент вариации химических элементов отмечен в хвое Р. obovata Ledeb., P. silvestris L. (Ni - U. foliacea), наименьший - в листьях U. pumila L.

Средняя концентрация меди в хвое и листьях деревьев в 1,3 раза превышает кларковые значения меди в растительности континентов (10 мг/кг), цинка - в 3,1 раза (50 мг/кг), свинца - в 8,2 раза (2,5 мг/кг), кадмия - в 419,3 раза

15

(0,005 мг/кг), кобальта - в 1,7 раза (1,0 мг/кг), а содержание никеля примерно соответствует его концентрации в растительности континентов.

Таблица 7 — Содержание ТМ в хвое и листьях деревьев г. Усть-Каменогорска

Элемент Р. obovata Ledeb. fn = 36) P. silvestris L. (n = 24) P.nigra L. (n = 32) B.pendula Roth, (n = 12) U. foliacea (n = 8) U. pumila L. (n = 2)

Cu 11.8 ± 1.9 4,5-45,0 9.2 ± 0.6 3,0-13,2 15.06 ± 1.4 5,0-49,0 14.1 ±2,2 7,0-36,5 16.6 ± 1.5 12,9-25,0 7.4 ± 0.6 6,8-8,0

Zn 131.8± 18,6 30,0-399,8 62,1 ±6,4 22,5-128,0 231,3 ± 28 25-737,5 298.3 ± 34 80,2-475 58,8 ± 9,8 23,8-102,5 55,1 ±7.0 48,2-62

Pb 29,2 ± 9.5 3,7-193,1 9.7 ± 1.1 4,5-27,5 18,9 ±4.3 2,3-92,0 19.6 ±4,3 3,3-48,7 23.8 ±6.8 4,5-55,3 8,5 ± 1.3 7,2-9,7

Cd 2.1 ±0,6 0,1-12,5 1.6 ±0.3 0,2-5,0 2.8 ± 0.4 0,3-7,5 1.9 ±0,3 0,5-3,5 1.6 ±0,4 0,5-3,9 0,18 ± 0.1 0,12-0,23

Co 0.5 ±0.1 0,1-1,5 1,08 ±0,2 0,1-3,8 1.13 ± 0.2 0,08-5,25 1.3 ±0.4 0,05-4,0 1.24 ±0.8 0,001-6,8 0.72 ± 0.5 0,2-1,2

Ni 2.3 ± 0.2 0,8-4,5 2.3 ±0.2 0,3-3,8 2.2 ± 0.2 0,18-7,08 2.3 ± 0.3 1,3-4,3 1.6 ±0.4 0,05-4,00 1.8 ±0.3 1,5-2,1

Примечание: в верхней строчке - средняя арифметическая и ее ошибка, мг/кг; в скобках - коэффициент вариации, %; в нижней - предел колебаний, мг/кг, п - количество проанализированных проб.

Рассчитанные значения содержания ТМ в хвое и листьях деревьев в золе показали, что максимум Zn (3 448,4 мг/кг на золу) отмечен в листьях вида В. pendula Roth., соответственно РЬ (417,1) в хвое вида Р. obovata Ledeb., Cu (220,0), Cd (43,0), Ni (54,1), Co (51,5) - в листьях вида P.silvestris L.

Наименьшее содержание химических элементов отмечено в листьях видов U. pumila L. и U. foliáceo.

Средний коэффициент биологического поглощения (КБП) для хвои Picea можно представить в следующем убывающем порядке:

Cd (232) > РЬ (26, 1) > Zn (26) > Cu (4,1) > Ni (0,7) > Со (0,5); для хвои Pinns:

Cd (330) > Zn (17,5) > РЬ (15,3) > Cu (4,7) > Со (1,4) > Ni (0, 9); для листьев Betula:

Cd (163,1) > Zn (41,5) > РЬ (15,3) > Cu(3,6) > Co (0,9) > Ni (0,5); для листьев Populus:

Cd(330)> Zn(17,5) > Pb(15,3) > Cu (4,7) > Co(l,4) > Ni(0,9); листьев U. foliacea:

Cd(l 10) > Pb(14,6) > Zn(6,8) > Cu(3,2) > Co( 0,5) > Ni(0,2); для листьев U. pumila L.:

Cd (10,7) > Zn (5,3) > Pb(4,2) > Cu(l,3) > Co(0,3) > Ni(0,2).

Согласно установленной А. H. Перельманом (1989) классификации, Cd Zn, РЬ по величине КБП в хвое Р. obovata Ledeb., Р. silvestris L. и В. pendula

Roth., в листьях P. nigra L. и Cd, Pb в листьях U. foliáceo (Cd в U. pumila L.) относятся к элементам энергичного накопления.

Си в хвое ели и листьях березы, Си и Со в P.silvestris L., Cu, Zn в листьях P.nigra L. и U. foliacea, Cu, Zn, Pb в листьях U. pumila L. - к элементам сильного накопления; Ni в хвое P.silvestris L. и Со, Ni в хвое P. obovata Ledeb., листьях В. pendula Roth., Р.nigra L., U. foliacea и U. pumila L. относятся к элементам слабого накопления и среднего захвата.

Выявлено, что на содержание ряда металлов в хвое Р. obovata Ledeb. и P.silvestris L. г. Усть-Каменогорска влияет сезон года и возраст хвои.

Как показали результаты исследований, концентрация Pb, Zn, Cu, Cd в хвое ели и Zn, Cu, Cd в хвое сосны максимально накапливается 3-4 года, минимально - 1 и 2 года. Концентрация Ni, Со в хвое ели и сосны разных лет остается постоянным. Содержание Zn, Cu, Pb, Cd в хвое ели в зимний период значительно выше, чем в летний. Содержание Ni и Со в хвое ели остается постоянным во все периоды наблюдения.

Был рассчитан количественный показатель перехода ТМ из эдафической среды в растение, т. е. коэффициент накопления (К„), или индекс аккумулятивной биоиндикации.

Так как у всех элементов Кн > 1, то загрязнение хвои и листьев древесных растений осуществляется как из почвы, так и из атмосферы, но в большей мере из атмосферы. По отношению к формам соединений Кн химических элементов в хвое и листьях всех исследованных видов характеризуется следующим рядом: кислоторастворимая < обменная < водорастворимая.

Так, К„ водорастворимой формы Си в хвое ели, сосны, листьях березы, тополя, вяза листоватого, вяза приземистого превышает К„ кислоторастворимой формы Си в хвое и листьях соответствующих пород в 143, 51, 72, 85, 138 и 208 раз.

Кн водорастворимой формы Zn в листьях березы превышает таковой его коэффициент в хвое ели в 2,0 раза, в хвое сосны - в 4,8; в листьях тополя -в 2,9; в листьях вяза листоватого - в 10,4; в листьях вяза приземистого - в 4,5 раза.

Наивысшая концентрация Cu, Zn, Pb иногда соответствует токсичному уровню и характерна для хвои и листьев древесных растений, произрастающих в северной зоне города, где локализованы свинцово-цинковый комбинат, ТЭЦ, завод редкометального производства, машиностроительный завод, Ульбинский металлургический завод, проспект Абая и др.

Следует отметить, что среднее содержание меди, цинка, свинца в хвое и листьях деревьев, произрастающих в северной зоне, превышает их концентрации в южной зоне в 2,0; 3,0; 10,7 раз (таблица 8).

В техногенной среде усиливается аккумуляция поллютантов в листьях Populus nigra L.: Со 22,5 > Zn 7,7 > Pb 6>3 > Cd 4 0 > Cu 2,i > Ni i , (среднее значение Kc - 7,3), в листьях Betulapendula Roth.: Со25,з> Zn6,2 > Cd 3,7 > CU з,1 > РЬ 2,8 >Ni! з (среднее значение Кс- 7,1).

По суммарному коэффициенту загрязнения в хвое и листьях деревьев исследуемые химические элементы образуют следующую геохимическую формулу: Со91,7Сс122 2п19,5Си16РЬ15,4№7д

Таблица 8 - Содержание металлов в хвое и листьях древесных растений, произрастающих в различных зонах города__

Элементы Зоны города

Северная зона (п=19) Центральная (селитебная) зона(п = 37) Северо-восточная (п = 37) Южная (п = 21)

Zn 251.6±46(8П 37-737,5 196 ±21(67) 22,5-475 110.9 ± 16(87) 22,5-389,5 82,8 ± 12(67) 23,8-225

Pb 71.6 ± 15(93) 6,5-193,1 13.0 ± 1.4(65) 3,3-43,5 8.8 ± 0.7(50.9) 3,5-27,5 6,7 ±0,6(41) 2,25-11,8

Си 20,5 ± 2,7(57) 10,5-45 40.6 ± 19(285) 5-525 9.1 ±0.6(40) 3,0-18,8 10.2 ±0.7(31) 5,6-17

Ni 2.2 ± 0.2(49) 0,05-3,8 2.1 ±0.2(57) 0,2-7,1 2.3 ± 0.2(48) 0,2-5,2 2,6 ±0.17(30.5) 1,43-4,0

Со 0.4 ±0,1(104) 0,001-1,8 1.4 ±0.3(120) 0,1-6,8 1.7 ±0.8(295) 0,1-30,0 0,7 ±0.2(128) 0,051-4,0

Cd 4.6 ± 0.9(86) 0,5-12,5 2.7 ± 0.3(70) 0,13-7,5 1.0 ±0.1(60) 0,12-2,8 0.8 ±0.1(90) 0,13-2,3

Примечание: в верхней строчке - средняя арифметическая и ее ошибка, мг/кг; в скобках - коэффициент вариации, %; в нижней - предел колебаний, мг/кг.

Изучая влияние валового содержания в почве химических элементов и их подвижных форм на накопление их в хвое и листьях деревьев, мы рассчитали величину коэффициентов корреляции и уравнения регрессии.

3.2.3. Содержание тяжелых металлов в хвое Picea Obovata Ledeb.

г. Риддера

Содержание ТМ в хвое ели Picea obovata Ledeb. в зоне влияния Риддер-ского цинкового завода колеблется в широких пределах в зависимости от расстояния, преобладающего направления переноса воздушных масс, возраста хвои и сезона года (таблица 9).

По величине среднего содержания в хвое ели исследуемые ТМ располагаются в следующий убывающий ряд:

Zn > Pb > Mn > Си > Ni > Cr > Cd > Co.

Максимальное различие в содержании цинка у 56 изученных проб хвои составляет 8,9 раза; свинца-148,3 раза; меди - 5,5 раза; кадмия - 30 раз; никеля - 44,4 раза; кобальта - 3 раза; хрома - 4,4 раза; марганца - 79 раз.

Среднее содержание цинка превышает фоновый уровень в 6,2 раза, свинца - в 38,8 раза, меди - в 2 раза, кадмия - в 21 раз, кобальта - в 2 раза; содержа-

ние хрома, марганца ниже фонового уровня, причем последнего в 4,1 раза, а содержание никеля не меняется.

Таблица 9 - Содержание металлов в хвое Picea obovata Ledeb. вблизи цинкового завода, мг/кг_

Металл lim Х±х а, мг/кг Cv,% Контроль Содержание в растительности континентов, мг/кг (Добровольский, 1983)

Zn 66,2-588,1 296,6 ± 17 122,6 41,3 47,7 50,0

РЬ 4,1-608 135,7 ±20,7 149 109,8 3,5 2,5

Си 3,6-20 8,9 ± 0,6 4,5 51 4,3 10,0

Cd 0,2-6,0 2,1 ±0,2 1,5 69,9 0,1 0,005

Ni 0,9-40 5,1 ± 1,2 8,9 175,6 5,1 2,0

Со 0,1-0,3 0,2 ± 0,0 0,1 37,4 0,1 1,0

Cr 1,7-7,5 4,0 ± 0,2 1,4 34 4,5 1,9

Мп 3,3-260,7 86,5 ± 8,2 59 68,2 355,1 240,0

В хвое ели сибирской концентрация цинка в 5,9 раза, кадмия - в 420 раз, хрома - в 2,1 раза, никеля - в 2,5 раза, свинца - в 54,3 раза выше, а меди в 1,2 раза, кобальта - в 5 раз, марганца — в 2,8 раза ниже их содержания в растительности континентов.

Результаты исследования показали, что содержание цинка, свинца остается высоким в радиусе 5,0 км от завода и соответствует токсичному уровню (мг/кг): цинка - 150-400, свинца - 30-300. На расстоянии 1,0 км концентрация цинка выше фонового уровня в 5,9-9,4 раза, а на расстоянии 5,0 км в 5,8-6,2 раза; свинца - в 7,4-143,2 раза и 3-17,9 раза соответственно. Максимальное содержание 7.п, РЬ, Си, С<1, Сг распространяется по 0,5-1,5 км от завода. Содержание Со в хвое ели по всем площадкам остается постоянным, за исключением хвои, отобранной на расстоянии в 3,0 км в юго-восточном направлении от завода. Концентрация никеля в хвое соответствует токсичному уровню (10-100 мг/кг сухого вещества) и превышает фоновый уровень в 6,8 раза. Концентрация Мп в хвое ели с удалением от источника загрязнения увеличивается, достигая максимума на расстоянии 3,0 км от завода.

Как показали результаты исследований, концентрация Хп, РЬ, Мп, Си, Сё максимально накапливаются в летний период в хвое 3-4 года, минимально - 1 и 2 года. Так, содержание цинка, свинца, меди и кадмия в хвое текущего года вблизи завода превышает фоновые значения в 1,5-13 раз, а в хвое четвертого года — в 2,2-31,8 раза. В зимний период концентрация РЬ, Си, Сс1 в хвое всех

возрастов примерно одинакова, концентрация Zn максимальна в хвое третьего года и минимальна в хвое второго года. Изменений в содержании Ni и Со в хвое по годам не наблюдается. Установлено, что содержание Zn, Ni, Cr в хвое ели в летний период значительно превышает показатели в зимний период, особенно это касается Zn и Ni. Содержание РЬ зимой выше, чем летом. В содержании Си, Cd, Со, Мп существенной разницы по сезонам года не наблюдается.

ВЫВОДЫ

1. Среднее валовое содержание ТМ в почвах г. Усть-Каменогорска колеблется в пределах: от 3,5 мг/кг для кадмия до 804,4 мг/кг для цинка. Содержание некоторых исследуемых ТМ выше их кларков в земной коре: в 1,4 раза по меди, в 9,7 раза по цинку, более чем в 20 раз по свинцу и кадмию, концентрация цинка выше его ПДК в 2,7 раза, свинца - в 3,8 раза. В целом для почв города Усть-Каменогорска характерна свинцово-медно-цинковая геохимическая специализация (Pbi8 9> Cui4 8> Zn7 7> Cd43 > Со2,з > N¡2,2).

2. Содержание кислоторастворимых форм ТМ почв г. Усть-Каменогорска колеблется от 2,3 мг/кг по Со до 317 мг/кг по Zn. Среднее содержание в почвах г. Усть-Каменогорска обменных форм ТМ варьирует от 0,3 мг/кг (Со) до 24,3 мг/кг (Zn); водорастворимых форм - от 0,03 мг/кг (Со) до 2,2 мг/кг (Zn). По величине процента от валового содержания элементов в каждой из фракций построен следующий убывающий ряд: кислотораствори-мая > обменная > фракция, переходящая в водную вытяжку.

3. На территории города выделены 4 зоны, относящиеся к таким уровням загрязнения, как очень высокое (Zc > 128), высокое (Zc =32-128), среднее (Zc =16-32) и допустимое (Zc < 16). Зоны подробно охарактеризованы с точки зрения преобладающих источников загрязнения, геохимических спектров и адресной привязки наиболее интенсивно загрязненных природно-антропогенных участков.

По среднему суммарному коэффициенту загрязнения районы г. Усть-Каменогорска располагаются в следующем убывающем порядке: северная > центральная (селитебная) > северо-восточная > южная зона. Это обусловлено нахождением в северной и центральной зонах крупных промышленных предприятий города, осуществляющих максимальное количество выбросов аэро-поллютантов в городе (АО «Казцинк», Ульбинский металлургический завод, ТЭЦ).

4. Для всех изученных видов деревьев г. Усть-Каменогорска характерна цинково-свинцово-медная специализация. Максимальное превышение концентрации свинца относительно его кларка в золе растений биосферы выявлено для хвои Picea obovata Ledeb., Pinus silvestris L., B. pendula Roth, (в 41,7; 24,4; 24,6 раза соответственно), минимальное (в 1,5 раза) - для листьев деревьев рода Ulmus. По остальным элементам превышения в исследованных древесных культурах не отмечено.

5. Выявлены закономерности в распределении ТМ в хвойных деревьях в зависимости от возраста хвои и сезона года. Так, для г. Усть-Каменогорска наблюдается тенденция к накоплению меди, цинка, кадмия, свинца с возрастом хвои. Исключение составляет лишь содержание свинца в хвое Pinus silvestris L.: оно снижается с возрастом хвои. Изменения концентрации никеля и кобальта в зависимости от возраста хвои Picea obovata Ledeb. и Pinus silvestris L. и сезона года не отмечены. Вблизи Риддерского цинкового завода выявлена аналогичная закономерность в накоплении свинца, цинка, кадмия, меди, хрома, марганца в хвое 4-го года Picea obovata Ledeb. Для кобальта и никеля в хвое Picea obovata Ledeb. изменения концентрации с возрастом и сезоном года не выявлены.

Накопление свинца, цинка, кадмия и меди в хвое Picea obovata Ledeb. имеет сезонный характер как в г. Усть-Каменогорске, так и вблизи Риддерского цинкового завода: в зимний период концентрация элементов значительно выше, чем в летний.

6. На территории влияния Риддерского цинкового завода максимум содержания большинства исследуемых ТМ в хвое ели отмечается на расстоянии 1,0 км в юго-западном направлении и 1,5 км в северо-восточном, минимум -на расстоянии 5,0 км во всех направлениях. Такой характер варьирования содержания элементов в древесных культурах обусловлен процессами конвенции воздушных потоков.

7. По отношению к водорастворимым формам в почве существует прямая зависимость для цинка, кадмия в хвое ели, для кадмия - в хвое сосны, для свинца - в листьях тополя; обратная - для свинца в листьях березы. По отношению к обменным формам в почве отмечена тесная положительная корреляционная связь для кадмия в хвое ели и сосны, для свинца - в листьях тополя. По отношению к кислоторастворимым формам в почве выявлена тесная положительная корелляционная связь между содержанием меди и кадмия в хвое ели, сосны. Наличие достоверных корреляционных связей между содержанием элементов-загрязнителей в почве и уровнем их концентрации в хвое и листьях городских деревьев подтверждает высокую экологическую значимость почвенного покрова и древесных растений в перераспределении потоков загрязняющих веществ на урбанизированной территории.

%. Выявлено 4 класса содержания исследуемых тяжелых металлов, которые основаны на градации валовых и различных подвижных форм для каждого химического элемента в сравнении с контролем и с ПДК для загрязнителей почв: для меди эта градация составляет < 30; 30-60; 60-90; >90; для цинка -<300; 300-600; 600-900; >900; для кадмия - <1,5; 1,5-3,0; 3,0-4,5; >4,5; для свинца - <100; 100-200; 200-300; >300, для кобальта - <2,0; 2,0-4,0; 4,0-6,0; >6,0; для никеля - <10; 10-15; 15-20; >20. Полученный в ходе исследования материал послужил основой для составления карт распределения цинка, меди, свинца, кадмия, никеля и кобальта в почве города (М 1:100 ООО), а также в хвое и листьях древесных культур г. Усть-Каменогорска.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В качестве индикатора загрязнения городской среды свинцом можно использовать независимо от времени года хвою 4-го года Picea obovata Ledeb., листья Populus nigra L.

В целях снижения экологических рисков воздействия ТМ на окружающую среду в северной и центральной селитебной зонах необходимо проводить рекультивацию пылящих территорий, т. е. укреплять почвы, высаживать устойчивые виды таких древесных пород, как например, Betula pendula Roth.

2. На расстоянии 1,0-1,5 км от завода рекомендуется посадка устойчивых к загрязнению ТМ древесных культур: Populus nigra L., Betula pendula Roth., Ulmus foliáceo, Ulmus pumila L. Древесный растительный барьер приведет к снижению степени физического и химического загрязнения окружающей среды и позволит уменьшить антропогенную нагрузку на природные экосистемы.

ОСНОВНЫЕ ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Панин, М.С. Загрязнение хвои ели сибирской тяжелыми металлами в зоне влияния цинкового завода г. Риддера / М.С. Панин, Г.К. Галямова // Актуальные проблемы экологии: III Международной научно-практической конференций, Караганды, 2004. - С. 167-168.

2. Панин, М.С. Химический состав ели сибирской в условиях техногенного загрязнения г. Усть-Каменогорска / М.С. Панин, Г.К. Галямова, A.B. Вешкина // Материалы III Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде». - Семипалатинск, 2004. - С. 581-589.

3. Панин, М.С. Содержание свинца и цинка в хвое ели сибирской (Picea Obovata L.) г. Усть-Каменогорска / М.С. Панин, Г.К. Галямова // Материалы Международной научно-практической конференции «Валихановские чтения -10». Т. 9. - Кокшетау, 2005. - С. 75-79.

4. Панин, М.С. Кадмий в хвое ели сибирской в условиях техногенного загрязнения / М.С. Панин, Г.К. Галямова //Материалы V Международной биогеохимической школы «Актуальные проблемы геохимической экологии», Семипалатинский государственный педагогический институт, 8-11 сентября 2005 г. - Семипалатинск, 2005. - С. 379-388.

5. Панин, М.С. Свинец в хвое ели сибирской (Picea Obovata L.) г. Риддера Восточно-Казахстанской области / М.С. Панин, Г.К. Галямова // Актуальные вопросы современной биологии и биотехнологии: тез. докладов 59-й Республиканской конференции молодых ученых и студентов. - Алматы: Казахский национальный университет им. Аль-Фараби, 2005. - С. 29.

6. Панин, М.С. Свинец в почвах г. Усть-Каменогорска / М. С. Панин, Г. К. Галямова // Международная научная конференция «Проблемы экологической геохимии в XXI веке»,- Ростов-на-Дону, 2005. - С. 382-385.

7. Панин, М.С. Валовое содержание и подвижные формы соединений Ъп в почвах г. Усть-Каменогорска / М.С. Панин, Г.К. Галямова // Материалы IV Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде». Т.1. — Семипалатинск, 19-21 октября 2006 г. - С. 330-337.

8. Панин, М.С. Цинк в хвое и листьях древесных растений в условиях атмосферного загрязнения г. Усть-Каменогорска / М.С. Панин, Г. К. Галямова // Поиск. Серия естественных и технических наук. - 2007. - №1. - С. 76-83.

9. Панин, М.С. Биогеохимия кадмия в хвое и листьях древесных растений урбанизированных территории / М.С. Панин, Г.К. Галямова // Биогеохимия в народном хозяйстве: фундаментальные основы ноосферных технологий: Материалы 6-й Международной биогеохимической школы, Астрахань, 22-25 сентября 2008 г. - Астрахань, 2008. - С. 46-48.

10. Галямова, Г. К. Эколого-геохимическая характеристика почв г. Усть-Каменогорска / Г. К. Галямова, М.С. Панин // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии, г Семей. - 2010. - №2 (13). - С. 97-102.

11. *Галямова, Г. К. Аккумуляция меди, цинка и свинца хвоей и листьями древесных растений в условиях атмосферного загрязнения г. Усть-Каменогорска / Г.К. Галямова // Естественные науки. 2012. - №4 (41). -С. 36-42.

12. *3айцев, В.Ф. Содержание и особенности распределения тяжелых металлов (Си, Сс1, РЬ) в системе «почва - хвоя и листья древесных пород» на различных участках г. Усть-Каменогорска / В.Ф. Зайцев, Г.К. Галямова // Юг России: экология и развитие. - 2012. - №4. - С. 66-71.

13. *Галямова, Г.К. Цинк в почвах г. Усть-Каменогорска / Г. К. Галямова, В.Ф. Зайцев, И.В. Волкова // Юг России: экология и развитие. -2013. - №2.-С. 115-120.

14. *Галямова, Г.К. Химические элементы в почвах г. Усть-Каменогорска // Юг России: экология и развитие. - 2013. - №2. - С. 120-126.

Заказ № 0153/13 Отпечатано 30.05.2013 г. Тир. 100 экз. Гарнитура Times New Roman. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,4 Типография ООО « Альфа Принт »

Ю.а.: 414004, г. Астрахань, ул. Б. Алексеева 30/14 e-mail: Alfager@rambler.ru тел: 89033485666

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Галямова, Гульмира Калелбаевна, Астрахань

РГП на ПХВ «Семипалатинский государственный педагогический институт»

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет»

На правах рукописи

04201160330

ГАЛЯМОВА ГУЛЬМИРА КАЛЕЛБАЕВНА

БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕКОТОРЫХ ДРЕВЕСНЫХ

КУЛЬТУР Г. УСТЬ-КАМЕНОГОРСКА

03.02.08 -Экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Панин М.

Научный консультант: доктор биологических наук Волкова И. В.

Астрахань-2013 г

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................5

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................9

1.1. Основные источники антропогенного загрязнения окружающей среды

в условиях урбанизации.......................................................................................9

1.2.Влияние токсичных промышленных эмисии на состояние древесных растений...............................................................................................................13

1.3. Устойчивость древесных растений в условиях урбанизированной среды.........18

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.............................................22

2.1.Физико-географическая характеристика г. Усть-Каменогорска....................22

2.2. Физико-географическая характеристика г. Риддера.......................................26

2.3. Материалы и методы..........................................................................................27

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.....................................................................33

3.1. Содержание тяжелых металлов в почвах г. Усть-Каменогорска..................33

3.1.1. Валовое содержание тяжелых металлов в почвах

г. Усть-Каменогорска...............................................................................33

3.1.2. Содержание кислоторастворимой формы тяжелых металлов

в почвах......................................................................................................42

3.1.3. Уровень ионнобменной формы тяжелых металлов в почвах...............48

3.1.4. Концентрация водорастворимой формы тяжелых металлов в почвах......52

3.2. Тяжелые металлы в хвое и листьях древесных растений

г. Усть-Каменогорска.........................................................................................57

3.2.1.Зольность хвои и листьев деревьев г. Усть-Каменогорска....................57

3.2.2. Среднее содержание тяжелых металлов в хвое и листьях древесных пород г.Усть-Каменогорска.....................................................................60

3.2.3. Содержание тяжелых металлов в хвое Picea Obovata Ledeb

г. Риддера...................................................................................................80

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................88

ВЫВОДЫ.....................................................................................................................91

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.................................................................94

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.......................................................................................95

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................96

ПРИЛОЖЕНИЕ А Карта-схема ландшафтов районов в пределах

г. Усть-Каменогорска..................................................................................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Схема исследований.................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ В Расположение пробных площадей и их координаты на

территории г. Усть-Каменогорска............................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Концентрации валового содержания, кислоторастворимой

формы ТМ в почвах г. Усть-Каменогорска............................................................124

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Региональное, кларковое, ОДК, ПДК ТМ в почве, мг/кг....127 ПРИЛОЖЕНИЕ Е Картосхемы распределения валового содержания ТМ

в почвенном покрове г. Усть-Каменогорска...........................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Корреляционная зависимость между ТМ в почвах

г. Усть-Каменогорска.................................................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЕ И Картосхемы распределения кислоторастворимой формы ТМ

в почвенном покрове г. Усть-Каменогорска.............................................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ К Корреляционная зависимость между кислоторастворимой

формой ТМ в почвах г. Усть-Каменогорска.............................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ Л Регрессионная зависимость между валовым содержанием

элементов и их кислоторастворимой формой в почвах........................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ М Картосхемы содержания обменной формы ТМ в почвенном

покрове г. Усть-Каменогорска.................................................................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ Н Парные коэффициенты корреляции обменной формы

тяжелых металлов г. Усть-Каменогорска...............................................................143

ПРИЛОЖЕНИЕ П Картосхемы водорастворимой формы ТМ в почвенном

покрове г.Усть-Каменогорска..................................................................................144

ПРИЛОЖЕНИЕ Р Парные коэффициенты корреляции водорастворимой формы ТМ г. Усть-Каменогорска...........................................................................................147

ПРИЛОЖЕНИЕ С Содержание ТМ в хвое и листьях древесных растений

г. Усть-Каменогорска, мг/кг воздушно-сухого вещества (п=114).........................148

ПРИЛОЖЕНИЕ Т Содержание химических элементов в хвое и листьях

древесных растений отобранных на фоновых участках.........................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ Ф Корреляционная зависимость между содержанием ТМ в хвое

и листьях древесных растений и их содержанием в почвах..................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ X Карты-схемы содержания ТМ в хвое и листьях древесных

растений г. Усть-Каменогорска................................................................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Парные коэффициенты корреляции содержания

тяжелых металлов в хвое Picea obovata Ledeb. в зоне влияния

Риддерского цинкового завода..................................................................................156

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время более половины населения нашей планеты проживает в городах, доля городского населения постоянно растет. Городские агломерации стали центрами состредоточения населения, промышленного производства и обусловленного этим интенсивного загрязнения природной среды, которое по площади и аномалии токсикантов представляет собой техногенно изменённые биогеохимические и геохимические провинции. Особый тип экосистем -урбоэкосистема стала источником поллютантов, включающихся в региональные биогеохимические циклы.

Особенно актуальна данная проблема для центра Восточного Казахстана -г. Усть-Каменогорска, который является уникальной селитебно-промышленной агломерацией, аналогов которой нет не только в Казахстане, но и во всем Среднеазиатском регионе. Предприятия города буквально совмещены с селитебными и рекреационными зонами и отсутствует такое понятие как санитарно-защитная зона. Наибольшую тревогу вызывают поступление больших количеств в результате производственной деятельности ТМ различных классов опасности. Осаждаясь на подстилающую поверность, поллютанты загрязняют почву, растительность, водоемы, проникают в организмы животных и человека. Наиболее опасными с точки зрения их влияния на биологические системы являются тяжелые металлы 1-2-го классов токсичности (кадмий, свинец, никель, кобальт, медь и цинк).

В урбоэкосистемах наибольшему воздействию от техногенного потока подвергаются деревья и почвенный покров.

Мощным и своеобразным фильтром для обезвреживания токсичных элементов является почвенный покров. Также своеобразным биологическим «живым фильтром» для улавливания дыма, сажи пыли и других загрязняющих компонентов могут быть и ассимиляционные органы деревьев.

«Листовой анализ» химического состава древесных растений является одним из самых информативных показателей при различных типах и уровнях эмиссионных нагрузок [100,168,170,187].

Ассимиляционные органы (хвоя и листья) древесных растений являются основным звеном в функционировнии всего организма, обладают высокой чувствительностью и стабильностью ответной реакции на влияние внешних факторов окружающей среды [65].

Проведения исследований по биогеохимической оценке загрязнения хвои и листьев древесных растений как естественного накопителя химических элементов на территории г.Усть-Каменогорска является актуальным направлением исследований.

Цель работы - на основании результатов исследования хвои и листьев древесных растений дать биогеохимическую характеристику загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами территорий города Усть-Каменогорска.

Задачи исследования.

1. Определить содержание валовых и подвижных форм ТМ (Си, Ъп, Сс1, РЬ, Со, №) в почвах г. Усть-Каменогорска.

2. Выявить зональность в распределении ТМ в почвах г. Усть-Каменогорска.

3. Изучить содержание РЬ, Сс1, Си, Со, № в различных древесных породах г. Усть-Каменогорска.

4. Выявить закономерности накопления ТМ в хвое деревьев в зависимости от возраста, сезона года, преобладающего направления ветра, расстояния.

5. Проанализировать взаимосвязь элементного состава хвои и листьев древесных культур с содержанием доступных форм элементов в почвах городской среды.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Загрязнение почв г. Усть-Каменогорска носит неравномерный и полиметаллический характер и определяется содержанием ТМ в выбросах промышленных предприятий, объектов теплоэнергетики и автомобильного транспорта.

2. Уровень загрязнения хвои и листьев деревьев зависит от видовых особенностей растений, сезона года, возраста хвои, а также расстояния от источника выбросов вредных веществ.

Научная новизна работы. Впервые дана комплексная биогеохимическая оценка загрязнения ТМ хвои и листьев древесных растений, почв г. Усть-Каменогорска. На основе полученных данных выявлены сезонные, возрастные и видовые особенности накопления ТМ хвоей и листьями деревьев г. Усть-Каменогорска. Проведена сравнительная оценка уровня аккумуляции тяжелых металлов в хвое ели, сосны, листьях березы, тополя, вяза, наиболее часто используемых для озеленения города. Выявлены закономерности загрязнения ТМ в различных зонах городав-зависимости от валового содержания и его форм в почвах г. Усть-Каменогорска.

Составлены карты - схемы (масштаб 1:100 ООО) загрязнения территории г. Усть-Каменогорска тяжелыми металлами по данным опробования почвенного покрова, хвои и листьев древесной растительности.

Теоретическая и практическая значимость. Сведения о содержании ТМ в хвое и листьях древесных растений являются ценными как с теоретической, так и с практической точки зрения. Изложенные в диссертации положения и выводы могут быть использованы:

-для проведения экоэкспертизы и получения комплексной картины загрязнения городских территорий тяжелыми металлами;

- при разработке мероприятий по экологическому мониторингу на техногенно измененных территориях;

- при подборе ассортимента деревьев для фитомелиорации техногенных территорий;

- при выборе оптимального видового состава для озеленений территорий ур-боэкосистем;

- в учебном процессе и включены в курс лекций по следующим дисциплинам: «Химическая экология», «Биогеохимия», «Экотоксикология», «Биоиндикационные методы исследования», «Экология растений» для студентов, обучающихся по специальностям «Экология», «Биология».

Апробация. Основные результаты исследования были представлены и обсуждены: на III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии» (Караганды, 2004), Международной научно-практической конференции «Валихановские чтения -10» (Кокшетау, 2004), 59-й Республиканской конференции молодых ученых и студентов (Алматы, 2005), IV Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семипалатинск, 2006), IV Международной биогеохимической школе «Актуальные проблемы геохимичексой экологии» (Семипалатинск, 2005), Международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2005).

Публикации результатов исследования. По теме диссертаций опубликовано 14 работ, из них 4 статьи в журналах рекомендованных ВАК России.

Объем и структура работы. Диссертационная работа отпечатана на 156 с. компьютерного текста. Состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы, приложения. Список литературы содержит 239 источников, из них 62 зарубежных авторов. Работа содержит 33 таблиц, 12 рисунков.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Основные источники антропогенного загрязнения окружающей среды в условиях урбанизации

Крупные индустриальные города, в которых сосредоточено огромное количество людей, промышленности, транспорта, разнопрофильные предприятия, оказывают огромное влияние на состояние окружающей среды. Степень влияния на окружающую среду можно оценить по воздействию промышленного производства (количество предприятий, численность работников, потребляемых веществ, энергии, промышленных отходов), транспортными показателями (величиной пробега, числом и мощностью машин) [85].

Наиболее опасными загрязняющими веществами считаются тяжелые металлы. Поступление тяжелых металлов в окружающую среду происходит как в результате естественных процессов (образование аномально обогащенного металлами морского и вулканического аэрозоля, выветривание горных пород и почв), так и антропогенных источников [68].

Предприятия тепло-электроэнергетики, черная и цветная металлургия, предприятия горнодобывающей, химической, гальванической промышленности, цементные заводы и автотранспорт вносят в загрязнение окружающей среды наибольший «вклад».

Металлургические комбинаты, электростанций выбрасывают ТМ преимущественно в нерастворимой форме в составе твердых частиц. В процессе атмосферного переноса происходит выщелачивание из минеральной алюмосиликатной матрицы и переход в ионную, водорастворимую форму. Так, наибольшая доля водорастворимой фракций меди при атмосферном переносе на расстоянии 80 км от Череповецкого металлургического комбината составляет 15%, никеля - 17%,

свинца - 8,1 %; 15 км от химкомбината, Усолье-Сибирское - 33, 77,93 соответственно [64]. Аэрозоли, перенесенные на тысячи километров от источников, содержат металлы исключительно в водорастворимой форме.

Ежегодно в результате сжигания нефти и угля в атмосферу выбрасывется примерно 3 600 т свинца, 2 100 т меди, 7 000 т цинка [113]. Содержание металлов вблизи промышленных предприятий в сотни и тысячи раз превышает фоновые показатели.

Известно, что загрязняющие вещества в атмосфере распространяются на огромные расстояния и оказывают негативное влияние на состояние лесных экосистем, произрастающих в сотнях километров от источников выбросов [38, 86, 170].

Так, в зоне влияния медно-никелевого производства Кольского полуострова в зависимости от расстояния выбросы никеля, меди и кобальта в атмосферу следующие показатели (таблица 1):

Таблица 1 - Содержание меди, никеля и кобальта в почве в зоне влияния

л

медно-никелевого завода Кольского полуострова, (в мг/м год)

Химические элементы 5,0 км 10,0 км 25,0 км 50,0 км

Ni 845,0 506,0 (>6,3 4,3

Си 494,0 198,0 49,4 3,3

Со 53,8 16,5 4,5 0,2

Влияние горнорудного и металлургического производства отрицательно сказывается на состоянии деревьев в Квебеке на расстоянии 25 км от завода, а в горной местности - на высоте ниже 580 м [208].

Имеются также сведения, что соединения свинца распространяются на 50-300 м от крупных автомобильных дорог [200].

Максимальная концентрация загрязняющих веществ в почвенном покрове отмечена в радиусе 205 км от металлургических предприятий, на расстоянии 1-2 км от ТЭС и до 50-100 м от автомагистралей [119].

На земную поверхность ежегодно от металлургических заводов выбрасывается не менее 122 ООО т цинка, 90 000 т свинца, 155 000 т меди, 1 900 т кадмия и 12 090 т никеля [121].

Анализ фазового состава газопылевых выбросов цветной металлургии показал однотипный состав (преимущественно оксиды), содержание сульфидов и водорастворимых фракций составляло небольшой процент. На долю оксидов цинка приходится 86 %, сульфидов цинка - 7,8 %, водорастворимой фракции цинка -1,3 %; соответственно для тех же форм свинца - 88 %; 8 %,7 %; 0 %; для кадмия -71 %,3 %, 1 %,84 %, 0 [47].

С выхлопными газами автотранспорта на поверхность Земли поступает примерно от 180 до 260 тыс. т свинца[86,90,111].

Выбросы свинца от автомобильного транспорта для разных стран представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Выбросы свинца автотранспортом в атмосферный воздух, т [146,

121]

Выбросы свинца Выбросы свинца

Страна автотранспортом Страна автотранспортом

т/ год на одгого т в год на одного

жителя жителя

Армения — <1 Узбекистан 481 21,4

Болгария 160 16,2 Грузия 19 25,0

Румыния 375 16,6 Эстония 40 26,7

Турция — 16,9 Литва 10 2,7

Хорватия 258 53,9 Беларусь 9,3 0,9

Греция 307 29,8 Нидерланды — 3,2

Польша 400 10,4 Украина 85 16,6

Россия 5 500 27,0 Казахстан — 23,0

Индустриально развитые города являются активными источниками поступления тяжелых металлов. Большой процент ТМ поступивший естественным или

техногенным путем концентрируется в почве. В почве миграция химических соединений происходит медленее, чем в воздухе, в воде, поэтому загрязнение этой среды носит необратимый характер. Из почвенного покрова ТМ медленнее удаляются, согласно различным данным период полуудаления цинка из поч