Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Биогеохимические особенности зеленых насаждений урбанизированных территорий

ВАК РФ 04.00.13, Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Биогеохимические особенности зеленых насаждений урбанизированных территорий"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР МИНИСТЕРСТВО ГЕОЯОГИИ СССР

Институт минералогии, геохимии и кристаллохимии редких

элементов

На правах рукописи УДК 550.846

Москаленко Наталья Николаевна

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗЕЛЕНЫХ НАСАЖДЕНИЙ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ( на примере г. Москвы)

Специальность 04.00.13 - геохимические методы поисков

месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на ооиокаиие ученой степени кандидата геолого-ыинералогичноких наук

Москва, 1991

Работа выполнена в Институте минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов АН СССР и Мингео СССР

Научные руководители - доктор геолого-минералогических наук|Ю.Е.Сает|;

кандидат геолого-ыинералогическш наук Э.К.Еуренков

Оффициальные оппоненты:

доктор геолбго-минералогических наук, профессор А.И.ПерельмаН (ИГЕЛ);

кандидат географических наук, ведущий специалист И.Н.Бурдакова (Госкомприрода)

Ведущая организация: МГУ, географический факультет

Защита состоится " "И ^о и_Й 1991 г. в Ш час. на заседании Специализированного Совета Д.071.09.01 Института иинералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов по адресу: 121357, Москва, ул.Вересаева, 15, ИМГРЭ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМГРЭ.

Автореферат разослан " 2-Л " СХ 1991 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, кандидат геолого-минералоги-

чвскнх наук Ч^и,^ В.А.Легейдо

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертация.Природные процессы миграции химических элементов во всех компонентах ландшафтов города в значительной мере трансформированы и техногенные факторы их перераспределения приобретают ведущее значение. Крупные промышленные города можно рассматривать как уникальную модель для изучения многообразия видов и Форм техногенного воздействия на .окружающую

пряду Нпярямяттиня ррптттчрпготй иг-следовяттяг ттп оттенке экологи-_

ческой обстановки урбанизированных территорий базируется, как правило, на оценке уровней загрязнения химическими элементами таких компонентов ландшафта, как почвы, воздух, подземные и поверхностные воды. Необходимость биогеохимических исследований в горсудах очевидна вследствие огромной роли растений в функционировании техногенно модифицированной городской.среды и создании среды обитания человека.

Среди городских зеленых насаждений основные средообразующие, санитарно-защитные, пейзажио-эстетическиэ функции несут древесные и древесно-кустарниковые формы растений, угнетение которых при загрязнении окружающей среды повышает экологическую опасность антропогенного воздействия. Древесные насаждения г.Москвы и явились объект ст.; исследования автора.

Биогеохимические исследования урбанизированных территорий, позволяющие оценивать реакцию растений на загрязнение и выявлять по изменениям химического состава растений возможные ситуации экологического риска для живых организмов, автор рассматривает как первый необходимый этап в изучении реакции растений на загрязнение окружающей среды химическими элементами методами прикладной геохимии.

Цель и задачи работы. Основная цель работы - биогеохимичес- ■ кая оценка реакции древесных насаждений на загрязнение городской среды химическими элементами.

Выполнение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Изучение изменений химического состава деревьев в зонах влияния промышленных предприятий и промышленных зон, т.е. изучение системы "тип техногенного воздействия - ответная реакция растения".

2. Биогеохимическая оценка современного состояния деревьев в различных типах зеленых насаждений.

3. Оценка возможности применения метода биогеохигяческого картирования при эколого-геохимических исследованиях урбанизиро-ваншЬс территорий.

4. Разработка биогеозсимических методов оценки устойчивости деревьев'к полиэлементному загрязнению окружающей среды.

Научная новизна.

Д. Выявлена специфика изменений химического состава вегетативных органов деревьев при различных типах техногенного воздействия.

2. По листьям проведена классификация химических элементов деревьев по информативности к биоиндикации состояния окружающей среды города.

3. Установлено, что реакция растений на загрязнение среды химическими элементами проявляется, главным образом, в развитии микроэлементной недостаточности в фотосинтезирующих органах.

4. Показана возможность применения метода биогеохимического картирования в эколого-геохимических исследованиях городов, приведена характеристика моно- и полиэлементных биогеохимических карт и их ценность в этих исследованиях.

5. Впервые предложен биогеохимический метод оценки устойчивости деревьев к уровню загрязнения почв химическими элементами. Разработана оценочная шкала биогеохимической устойчивости для пяти видов деревьев, наиболее распространенных в озеленении г..Мо квы.

Апробация работы.Основные положения диссертации дскладова-лись и обсуждались на 17 Всесоюзном совещании "Миграция загрязюз гацих веществ в почвах и сопредельных средах" (Обнинск, 1987); научно-технической конференции молодых экологов "Человек в биосфере (Москва, 1988); научно-практической конференции "Зкологичес кие исследования в Москве и Московской области" (Москва, 1989).

.Публикации.Основные положения диссертации изложены в семи опубликованных работах и двух отчетах.

Материалы и методы исследования. В основу диссертационной работы положены экспедиционные исследования, выполненные авторот в составе отряда лаборатории экологической геохимии ИМГРЭ совместно с литохимическим участком Московской опытно-методической

геохимической экспедиции ИМГРЭ на территории г.Москвы и Московс-

кой области в течении 1987-1989 гг. В соответствии с поставленными задачами проводилось сопряженное опробование почв й вегетативных органов деревьев на ключевых участках в зонах влияния промышленных предприятий и промышленных зон города (заводов черной и цветной металлургии, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, полиграфии и др.), отличающихся по характеру и интенсивности воздействия на окружающую среду; в различных типах зеленых насаждений города - рядовых посадках, скверах, парках с различным уровнем загрязнения среды химическими элементами. Площадное биогеохимическое картирование по листьям липы мелколистной проведено на территории Калининского административного района г.Москвы по сети опробования 250x250 м.

В ходе работ автором отобрано более 1000 проб растений и почв, которые анализировались методом приближенно-количественного спектрального анализа. В зонах выявленных биогеохимических аномалий для верификации использовался групповой количественный спектральный анализ и метод атомной абсорбции. Аналитические работы выполнены в лабораториях 1ГЛГРЭ и Бронницкой геолого-геохимической экспедиции.

Оценка реакции деревьев на загрязнение окружающей среды по изменениям микроэлементного состава вегетативных органов проводилась на основе анализа комплекса биогеохимических показателей, учитывающих как распределение содержаний отдельных элементов,так и совокупности химических элементов. Система используемых показателей включает: коэффициент концентрации и коэффициент рассеяния (КК и КР; Перельман, 1975); суммарные показатели концентрации (рассеяния) химических элементов (СПК и СПР; Смирнова, Ревич, 1989); коэффициент биологического поглощения (Ах; Перельман,1975); коэффициент относительного поглощения вида (КОП; Фортескью,1985); показатель биогеохимической активности вида (БХА; Айвазян, 1974). Автор предлагает использовать в биогеохимических исследованиях два показателя - показатель биогеохимической контрастности (ПЕК), отражающий суммарные отклонения химического состава растения от фоновых: ПЕК = СПК + СПР. Для экспрессной оценки реакции растений на загрязнение о кружащей среды использован показатель, равный соотношению двух физиологически важных элементов - Ре/!Лп.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех г(лав и заключения, содержит 126 страниц, 12 рисунков, 22

таблицы. Список литературы включает 205 наименований.

В первой главе дается литературный обзор состояния современных биогеохимических исследований на территориях интенсивного хозяйственного освоения. Глава написана по литературным данным.

Во второй главе излагается методика проведения экспедиционных биогеохимических исследований, обосновывается выбор деревьев в качестве объекта исследований, приводится система биогеохимических и геохимических показателей, используемых при интерпретации аналитического материала.

В третьей главе дается природно-функциональное зонирование г.Москвы; функциональное зонирование - по материалам МОМГЭ ИМГРЭ, ландшафтно-геохимическая характеристика - по литературным материалам, биогеохимическая оценка деревьев естественных (фоновых) местообитаний - по материалам автора. Здесь же обосновывается выбор местного геохимического фона для Москвы в автономных и трансэлювиальных ландшафтах смешанных широколиственных и вторичных мелколиственных лесов на дерново средне- и слабоподзолистых почвах Верейско-ЕЬенигородской эрозионной моренной равнины, а также приведены фоновые параметры химических элементов для вегетативных органов изученных деревьев и оценено состояния деревьев по биогеохимическим показателям.

Четвертая глава диссертации, основанная на авторских материалах, состоит из четырех разделав. В первом разделе рассматриваются особенности химическогб состава листьев деревьев рядовых и малых групповых посадок в зонах влияния промышленных предприятий города. Приводятся результаты экспериментальной работы по изучению загрязнения некоторых лекарственных растений. Во втором разделе изложены результаты биогеохимической оценки современного загрязнения некоторых парков и лесопарков г.Москвы. Третий раздел посвящен биогеохимическому картированию урбанизированных территорий. В четвертом разделе главы рассматривается биогеохи? отческая устойчивость деревьев к интегральному загрязнению почв химическими элементами.

В постановке и организации исследований автору оказали содействие доктор геолого-минералогических наук ГД.В.Сает! и кандидат географических наук Р.С.Смирнова. В ходе работы над диссертацией автор пользовался консультациями кандидатов геогр.наук И.А.Авес-саломовой, Е.П.Сорокиной, кандидатов г.-м.наук И.Л.Башаркевич, Н.И.Несвижской, Е.П.Янина, кандидата мед.наук Б.А.Ревича. Большое^ 4

участив в обеспечении аналитических работ приняли химики-аналитики ШГРЭ Л.И.Кашина, В.ВЛернова, Л.Г.Щема. Автор искренне признателен названным и другим товарищам за помощь в выполнении работы.

Особую благодарность за ценные консультации и постановку теш исследований, внимание и поддержку автор выражает научным руководителям - доктору геолого-минералогических наук ^О.Е.Сает^, кандидату'геолого-минералогических наук Э.К.Буренкову._"

ЗАЩИЩАЕТЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

Выполненное исследование позволило автору сформулировать следуюище защищаемые положения:

1. Тип техногенного воздействия промышленных,источников загрязнения на окружающую среду определяет характер изменений в химическом составе вегетативных органов древесных насаждений городов. Вццелено четыре типа техногенного воздействия: преимущественно газовый, преимущественно металлогенный, газово-метал-логенный, гетерогенный.

2. В условиях загрязнения окружающей среды изменение в химическом составе вегетативных органов деревьев проявляется как в концентрации техногенных элементов-загрязнителей, так и в дефиците элементов биофкльной группы. Листья деревьев городских местообитаний повсеместно накапливают серебро, ванадий, свинец, хром и олово- элементы приоритетные загрязнители городской среды. Дефицит микроэлементов является наиболее характерной чертой в изменении химического состава деревьев города, острый дефицит характерен для двух биофильных элементов - марганца и цинка.

3. Биогеохимическое картирование является составной частью экалого-геохимических исследований урбанизированных территорий. Его применение позволяет не только выявлять очаги загрязнения окружающей среды (по положительным биогеохимическим аномалиям), но и оценивать степень их экологической опасности (по отрицательным биогеохимическим аномалиям).

4. Групповые посадки деревьев в городе (парки и лесопарки) наиболее устойчивы к загрязнению химическими элементами, что проявляется в слабой изменчивости микроэлементного состава вегетативных органов деревьев.

I. Техногенное воздействие на городскую среду и изменение химического состава вегетативных органов деревьев

Многоотраслевая промышленность Москвы определяет большой химический процесс на окружающую среду. Наиболее мощные техногенные потоки загрязняющих веществ дают промышленные предприятия Проведена типизация промышленных предприятий по характеру и интенсивности техногенного потока, поступающего в окружающую среду Взделено четыре типа техногенного воздействия (ТГВ): I) преимущественно газовый, характеризующийся поступлением в среду различ 6

них газов и пшш; 2) преимущественно металлогенный - поступление химических элементов в виде металлической пшш, абразивной крошки, аэрозолей металлов, т.е., главным образом, в виде твердых частиц; 3) газово-металлогенный - характеризующийся поступление!.! в среду различных газов и металлов в твердых и растворимых формах; 4) гетерогенный - характеризующийся поступлением загрязнителей в различных формах от множества источников и являющийся наиболее распространенным типом воздействия в городе._

Из изученных производственных объектов к первому типу воздействия отнесены предприятия химической промышленности, ко второму - предприятия машиностроительной и радиотехнической промышленности, к третьему - предприятия черной и цветной металлургии, полиграфии, к четвертому - многофункциональная промышленная зона города с ведущей ролью завода органической химии.

В табл. I приведена краткая геохимическая характеристика выделенных типов техногенного воздействия и оценена реакция растений на ТГВ по биогеохимическим показателям. !Ьтенсивность загрязнения окружающей среды увеличивается от преимущественно газового типа ТГВ к гетерогенному, что выражается в росте' суммарного загрязнения почв и пылевых выпадений химическими элементами, в уве-ллченшт пылевой нагрузки.

По интинсивности техногенного воздействия на деревья выявлен следующий ряд усиления реакции растений при увеличении степени загрязнения: преимущественно газовый тип ТГВ - преимущественно :.:еталлогенный - газово-металлогенный - гетерогенный тип ТГЗ. ¡3 зонах влияния указанных промышленных предприятий по мере усиления загрязнения почв химическими элементами и интенсивности ТГВ у деревьев (липы мелколистной и березы повислой) отчетливо проявляются две тенденции в изменении химического состава вегетативных.органов - рост суммарной концентрации элементов-загрязнителей п усиление суммарного дефицита элементов питания растений, что выражается в уменьшении содержаний биофилъных элементов относительно фоновых уровней и падении их биологического поглощения (табл. I). 3 зонах влияния локальных источников загрязнения (типы ТГЗ 1-3) уровень суммарной концентрации химических элементов в листьях липы и березы изменяется от фонового (СПК менее 2) до среднего (СПК = 4-8). При гетерогенном типе ТГВ выявлены более значительные нарупения химического состава листьев-деревьев..Суммарная концентрация микроэлементов достигает максимального уровня (СПК

Таблица I.

Типы техногенного воздействия на городскою среда и изменение микроэлементного состава листьев деревьев

Тип ТГВ

7ровни загрязнения химическими элементами (по величине СПК)

Пылевая нагрузка, кг/гаг су т.

Биогеохимические показа т е л и

Ассоциация концентрации

СПК

Ассоциация

СПР

почв ' : снега

I.Преимущественно газовый

¿.Преимущественно мета-ллогенный

3.Газово-ме-таллогенный

слабый (8-16)

4. Гетерогенны^акс^м.

средний, (Б4-128)

слабая (160-320)

слабая . (120-320)

оч.сильн, (640-800)

максим. (800)

)^СгУ1<5

б) ЗпАЕВ1>5 а)У3АгРЬСг2

а)АЕ3ТОоСгг

б)шокег

а)Ае69Зп1дуръсг

Б)ЗП101АЕ9урь2

Мп.„В1Со,Т18гВа,Сигп Ко Р„ 4 3

низкий (2-4)

^изк^й мп24гпЗг7мосо3т1Н1Си

^ИЗК^Й Т1122п10Си4ЗгСгРЪР2

Й Мп28|пТ18ЗгС04ВаСи3

НИЗКЙ МПявТ!, „ЭгСогПсСиРЬ (2-4) РУ N1 Ва2 5

оч^выс. мп88гпвЗг4тии3СиСо^

0Ч.ВЫС . Мп,а2п11ЗгСо,-Т1Н1.Си (32) Рр38 11 5 4

высокий

(16-32)

шсокщ ¡16-32;

дч'.выс. (32-64)

высоки

(16-32

таз

максим.

оч.выс, (32-64)

Примечания:.* - Р„ - пылевая нагрузка; а) листья липы мелколистн.; б) листья березы повислой.

более 32), главным образом, за счет усиления поглощения и накопления олова и серебра, содержание которых превышает фоновые в 19-70 раз у липы и в 9-100 раз у березы (табл. I, рис. 1,2). При гетерогенном типе ТГВ выявлен максимальный дефицит микроэлементов в листьях липы и березы (рис. 1,2), прежде всего марганца и-цинка, содержание которых понижено относительно фоновых в п-10п раз.

химическими элементами.-

с

2.1. Концентрация химических элементов в вегетативных органах

В городских местообитаниях (скверы, уличные и дворовые посадки, посадки В" зонах влияния промышленных предприятий) в листьях деревьев происходит преимущественное накопление пяти техногенных химических элементов - серебра, ванадия, свинца, хрома и олова, выделенных в группу приоритетных загрязнителей. Степень концентрации этих элементов значительно ниже, чем в других депонирующих средах (почвах, снеговом покрове) и изменяется, как правило, в пределах 2-6 КК.

Уровень концентрации элементов-загрязнителей в вегетативных органах деревьев определяется типом техногенного воздействия, видовыми особенностями деревьев и типом зеленых насаждений. Степень концентрации при преимущественно газовом типе ТГВ минимальна из всех изученных типов ТГВ,' содержание серебра, хрома, ванадия,олова в деревьях в 1,5 раз превышает фоновые (табл. I). В условиях преимущественно металлогенного и газово-металлогенного типов ТГВ коэффициенты концентрации приоритетных загрязнителей изменяются в пределах 2-4. Под влиянием гетерогенного тийа ТГВ в листьях липы мелколистной и березы повислой зафиксировано максимально-аномальное содержание двух элементов-загрязнителей - серебра и олова. Коэффициенты концентрации серебра в липе достигли 50-69, в березе - 9, олова соответственно 19-101. В ветвях деревьев содержания элементов-загрязнителей понижены относительно листьев, од-, нако они в 7-25 раз превышают фоновые.

В зонах влияния промышленных предприятий биологическое поглощение техногенных элементов слабое. Согласно классификации А.И. Перельмана (1975) серебро, ванадий, свинец, хром и олово относятся к группе элементов слабого и очень слабого захвата, иногда -

КК-,

Ь88

Мп

777Л 2

Рис. I. Тиш техногенного воздействия и дифференциация химических элементов в листьях липы мелколистной Типы ТГВ: I - преимущественно металлогенный; 2-газово-металлогенный; 3 - гетерогенный

Рис. 2. Типы техногенного воздействия и дифференциация химических элементов в листьях березы повислой Типы ТГВ: I - преицутцественно металлогенный; 2-газово-металлогенный; 3 - гетерогенный

к груше среднего захвата. Результаты проведенных исследований в целом подтверждают это положение для деревьев городских местообитаний. Вместе с тец, в зонах влияния промышленных предприятий, особенно при гетерогенном типе TIB, биологическое поглощение некоторых техногенных .элементов деревьями возрастает до среднего, интенсивного и очень интенсивного (АХ = 3-13.3).

Выявлены видовые отличия в концентрации химических элементов листьями деревьев. Так, липа мелколистная характеризуется накоплением всех элементов группы приоритетных загрязнителей, для тополя канадского характерно интенсивное накопление стронция (КК= =3.2-5), а при сильных уровнях загрязнения почв - свинца и хрома.

По типам зеленых насаждений суммарная концентрация химических элементов листьями деревьев возрастает в ряду: крупные групповые посадки (парки, лесопарки) - малые групповые посадки -(скверы) - рядовые посадки (в зонах влияния промышленных предприятий, уличные насаждения).

В городских местообитаниях существенно изменяется химический состав лекарственных.растений (цвета липы, плодов рябины и шиповника). Относительно фоновых аналогов (аптечный фон) возрастает содержание свинца, никеля, железа в 2-12 раз. Токсичные элементы максимально экстрагируются в настои лекарственных: растений. Так, например, экстракция свинца и кадмия в настой липового цвета достигает 22-60$. По мере усиления степени загрязнения среды в изученных лекарственных растениях выявлено увеличение содержания небелкового азата в 1,5-4 раза, что свидетельствует о нарушении азотного .обмена лекарственных растений в городе.

2.2. Дефицит химических элементов в вегетативных органах.

Загрязнение почв является одним из лимитирующих факторов поглощения микроэлементов деревьями городских местообитаний. Падение биологического поглощения элементов питания, снижение биогеохимической активности деревьев отражается на микроэлементном составе вегетативных органов - развивается микроалементная недостаточность. Исследование механизма подавления поглощения не входило в решаемые автором задачи. Дефицит химических элементов в деревьях рассмотрен на уровне.ассоциаций.

Величина суммарного показателя рассеяния (СПР); объединяющего деконцентрирупциеся элементы показывает, что преобладающий тенденцией изменения химического состава деревьев в городах является дефшфзт химических элементов, который проявлен более резко, чем 12

избыточное накопление.

Микроэлементная недостаточность свойственна для'биофилшой группы элементов - марганца, цинка, меди, кобальта, молибдена, стронция, бария, фосфора, бора. Выявлен дефицит никеля, титана.

Усиление дефицита биофильных элементов происходит при возрастании интенсивности техногенного воздействия на окружавдую среду от преимущественно газового типа ТГВ к гетерогенному(табл.

I).

—!-0<мбенно-4>стрый^ефищт-характерен-для-двух-фиэиологически—

важных элементов - марганца и цинка, биологическое поглощение которых снижается в городских местообитаниях в п-10п раз. Сильный дефицит марганца выявлен практически во всех типах зеленых насаждений за исключением парков и лесопарков, цинка - в зонах влияния промышленных предприятий. В зонах влияния промышленных предприятий содержание марганца снижается в листьях липы в 10-88 раз, в листьях березы - в 3-38 раз, цинка соответственно в 2-8 раз и в 5-II раз относительно фоновых уровней (рис. 1,2).

В лекарственных растениях также выявлено усиление дефицита марганца при увеличении загрязнения окружающей среды. Содержание марганца в липовом цвете и плодах рябины понижено относительно аптечных аналогов в 5-15 раз как в сухом веществе, так и в их настоях и отварах. Антагонистический характер распределения содержаний марганца и железа в изученных лекарственных, растениях позволил использовать соотношение содержаний этих элементов (Ре/ Мп) как индикатор состояния окружающей-среды - индикатор реакции растений на загрязнение. Ейачение коэффициента Fe/Mn возрастает по мере усиления степени загрязнения среды и достигает максимальных 'значёний в зонах влияния промышленных предприятий.

Микроэлементная недостаточность проявляется у деревьев с различной интенсивностью. Липа мелколистная и клен платановидный характеризуются наиболее резким снижением биологической активности в поглощении химических элементов. По мере усиления загрязнения почв химическими элементами содержание-марганца у липы снижается в 2-4 раза при слабом уровне загрязнения и в 10-90 раз при сильном и максимальном уровне загрязнения. Дефицит марганца у клена составляет 16-134 КР. Содержание многих биофильных элементов понижено в 2-4 раза относительно фонового. У тополя канадского содержание марганца падает в 7-20 раз, кобальта в 3-7 раз,содержание других элементов биофильной группы находится на уровне

13

фоновых вариаций (КК и КР менее 2). Дефицит марганца в листьях березы повислой фиксируется в условиях газово-металлогенного и гетерогенного типов ТГВ, т.е. при сильных - максимальных уровнях загрязнения почв. Содержание цинка понижено в зонах влияния промышленных предприятий в 5-11 раз, в других местообитаниях находится на фоновом уровне; Содержание остальных биофильных элементов понижено в 2-5 раз относительно фонового. Клен ясенелистный характеризуется минимальным уровнем дефицита биофильных элементов из всех изученных деревьев, содержание марганца в листьях ниже фонового в 1,7-8,5 раз, остальных элементов питания - в 1,53 раза.

Анализ суммарного дефицита химических элементов (по показателю СПР) показал, что для липы мелколистной, клена платановвд-ного,тополя канадского характерна тенденция роста СПР при увеличении степени загрязнения почв химическими элементами,проявляющаяся с различной интенсивностью для каждого из этих видов деревьев. Максимальный суммарный дефицит характерен для липы и клена.Береза повислая характеризуется меньшим дефицитом микроэлементов и его стабильностью при различных уровнях загрязнения.У клена ясенелистного выявлена тенденция к снижению дефицита микроэлементов по мере усиления степени загрязнения почв химическими элементами.

По видовым особенностям деревьев выявлен следующий ряд усиления дефицита биофильных элементов: береза' повислая, клен ясенелистный, тополь канадский, клен платановидный,липа мелколистная.

Проявление дефицита микроэлементов в вегетативных органах деревьев различно в разных типах зеленых насаждений города.Наибо-лее интенсивное снижение содержания элементов питания выявлено в рядовых посадках зон влияния промышленных предприятий. В скверах города с различным уровнем загрязнения окружающей среды суммарный дефицит элементов меньше в 2-6,5 раз,- В парках и лесопарках уровень дефицита микроэлементов слабый и средний (СПР изменяется от 4 до- 8). По типам зеленых насаждений усиление дефицита микроэлементов происходит в ряду: парки, лесопарки - скверы - рядовые посадки.

2.3. Биогеохимическая устойчивость деревьев к загрязнению почв химическими элементами

С позиций геохимии растений проведена оценка биогеохимической устойчивости пяти наиболее распространенных в озеленении г. 14

1осквы видов деревьев - липы мелколистной, тополя канадского, ¡ерезы повислой, клена платановидного и клена ясенелистного.

Под биогеохимической устойчивостью понимается такая изменчи-юсть ми1фоэлементного состава вегетативных органов деревьев в 'словиях загрязнения окружающей среды,которая не приводит к нару-гению декоративного (эстетического) вида'деревьев.

Декоративный вид деревьев оценивался визуально по морфологи-геским изменениям в развитии вегетативных органов, таких как из-шнание цвета готовой пластинки, раннии листопад, развитие ^орм мороза и некроза листьев, усыхание ветвей и суховершинность.объ-¡дание листьев и их скелетирование, минирование листовых пласти-[ок, свертывание листьев, образование галлов. Оценка устойчивости деревьев проводилась на основе изучения их реакции на загрязнение гочв химическими элементами методом сравнительного анализа комп-шкса геохимических и биогеохимических показателей и морфологиче-:ких изменений вегетативных органов деревьев. Анализ биогеохими-юских показателей (СПК,СПР,ПБК,ЕХА) в соответствии с категориями ¡агрязнения почв микроэлементами выявил основные тенденции в из-генении химического состава листьев деревьев.

По мере усиления степени загрязнения почв химическими элементами у всех видов происходит падение биогеохимической активности в 2,5-5 раз в сравнении с фоновой,наблюдается рост суммарной концентрации элементов-загрязнителей в листьях и усиление суммарного цефицита элементов питания у липы,тополя и клена платановидного. Интенсивность проявления этих тенденций у деревьев различна.Так,у 5ерезы повислой и клена ясенелистного БХА уменьшается в 2-3 раза, ! тополя и липы - в 3-5 раз(табл.2).Для листьев клена платановид-юго характерен стабильный слабый уровень концентрации элементов хри слабом - среднем загрязнении почв и средний уровень концентрации при очень сильном загрязнении почв химическими элементами.Для хистьев липы мелколистной характерно постепенное увеличение концентрации химических элементов и расширение спектра элементов концентрации при усилении загрязнения.7 тополя канадского уровень суммарной концентрации стабильный средний как при слабом,так и 1ри сильном загрязнении почв.Береза характеризуется фоновым и :лабым уровнем концентрации элементов в листьях,клен ясенелистный - стабильным средним уровнем суммарной концентрации при изменении интегрального загрязнения почв от слабого до сильного (табл.2).

Загрязнение почв приводит к падению биологического поглоще-

Таблица 2.

Интегральное загрязнение почв химическими элементами и биогеохимические показатели реакции деревьев

Вид : СПК в почвах Биогеохимические показатели 8-16 16-32 32-64 64-128

илен платано-видный п= 40х БХА СПК СПР ПБК 199,8 3,2 22,4 25,6 111,5 2.7 40,7 43,4 110,6 3.2 91,6 Э4,8 26.3 5,8 149,1 154,9

Гшпа мелколистная п=40 БХА СПК СПР ПБК 194,9 3,5 20,6 119,0 1,6 25,1 26,7 113,6 4,2 33,2 37,4 39,1 50,3 58,0

Тополь канадский п= 40 БХА СПК СПР ПБК 194,5 4,4 '27,9 32^3 98.0 2.6 30,2 32,8 118,4 6,3 33,8 40,1 32,9 5.8 36,8 42,6

Береза повислая п= 40 БХА СПК СПР ПБК 302,1 - 0.7 17)7 142,8 2,4 11,5 13,9 92.6 2^8 24.7 54,3 1б,0 13,1

Клен ясене-листный п= 40 БХА СПК СПР ПБК 175,8 4.9 4(5,5 45,4 124,4 5.5 4б,3 45,8 114,6 5.2 29,9 35,1 42,4 11,6 13,0 24,6

х - количество проб

1_6

ния многих химических элементов,что выражается в их деконцантра-ции относительно фонового уровня.Величина суммарного показателя рассеяния ё листьях изученных видов деревьев изменяется от 10 до 149.7 липы,тополя и клена платановвдного выявлен рост СПР с увеличением загрязнения почв,проявляющийся с различной интенсивнос-стьго для каждого из этих видов (табл.2).Береза повислая в сравнении с перечисленными видами характеризуется значительно меньшим дефицитом микроэлементов и его стабильностью при различных уровнях зяттстаирттст.У ттр.ття яг».енрттг;тчг>т шперпягтрирнтияя-Непостятпч-__ ность снижается при усилении степени загрязнения почв (табл.2).

Анализ морфологических изменений вегетативных органов показал, что у липы и клена платановидного уже при средних уровнях загрязнения почв (СПК=16-32) наблюдается усиление хлороза и некроза листьев,развиваются формы межжилкового хлороза на молодых листьях,пятнистый некроз листьев(индикаторы дефицита марганца), повышается повреждаемость листьев от насекомых.Морфологические нарушения наблюдаются более чем у 50% деревьев.У тополя канадского морфологические изменения проявляются более чем у 50$ деревьев лишь при сильном уровне загрязнения почв(СПК=32/б4).Клен ясене-листный и береза повислая характеризуются значительно меньшими изменениями в развитии вегетативных, органов,лишь при очень сильном уровне интегрального загрязнения почв(СБК=64-128) выявлены морфологические изменения листовых пластинок - 20-30$ деревьев.

В условиях загрязнения окружающей среды химическими элементами способностью к сохранению декоративных и санитарно-защитных Функций обладают береза повислая и клен ясенелистный.что выражается в стабильности химического состава вегетативных органов этих деревьев при дополнительном извлечении из почв химических элементов.Тополь канадский также является видом,устойчивым к загрязнению. Он занимает промежуточное положение в шкале биогеохимической устойчивости.Клен цланатовидный и липа мелколистная отнесены к группе биогеохимически неустойчивых видов деревьев.Они характеризуются потерей санитарно-защитных и декоративных функций уже при средних уровнях загрязнения среды химическими элементами.

Шкала биогеохимической устойчивости деревьев городских местообитаний имеет вид(по убыванию устойчивости):береза повислая, клен ясенелистный - тополь канадский - липа мелколистная, клен платанобидный.

3. Биогеохимия вегетативных органов деревьев в крупных зеленых массивах.

Биогвохимичвская оценка некоторых парков г.Москвы проведена по изменениям химического состава листьев липы мелколистной - наименее биогеохимически устойчивого дерева в условиях загрязнения среды химическими элементами.Выбор парков определялся следующими факторами - уровнем современного загрязнения,ландшафтными особенностями, значимостью парка в структуре озеленения города.Проведено исследование долинных парков(Серебряный бор,<5или-Кунцево,Покровс-кое-Стрешнево,Ленинские горы) и равнинных(Лосиный остров,Сокольники, п. Дружбы) .Для долинных парков характерен слабый уровень' загрязнения компонентов среды химическими элементами,для равнинных -средний и сильный.

В парках и лесопарках Москвы,находящихся в различных условиях загрязнения,выявлены минимальные доя городских насаждений изменения химического состава вегетативных органов у липы мелколистной. Содержание приоритетных элементов-загрязнителей находится на фоновом уровне.Выявлена слабая аккумуляция лишь одного элемента из этой группы - ванадия(КК-2-4).Химический состав вегетативных органов липы в парках близок к фоновым аналогам как при слабом, так и при сильном загрязнении.В парках в отличие от рядовых и талых групповых посадок происходит накопление элементов биофильной группы в вегетативных органах деревьев.Содержание кобальта,меди и марганца находится на уровне фоновых вариаций(КК и КР менее 2), содержание бора,молибдена и кобальта в 2-4 раза превышает фоновой Тенденция накопления биофильных элементов выявлена во всех изученных парках города.У парковых деревьев практически не выражена тенденция дефицита химических элементов.

Биогеохимическая оценка парков г.Москвы,испытывающих различное загрязнение и расположенных в неодинаковых ландшафтных условиях,показала,что в настоящее время парки более устойчивы к загрязнению городской среды в сравнении с другими типами зеленых насаждений города.

4. Применение метода биогеохимического картирования в эколого-геохимических исследованиях городов.

Биогеохимическое картирование проведено на территории старого промышленного района г.Москвы(Калшшнский р-н) .использована автоматизированная система построения карт способом аналитической

сплайн-аппроксимации.Создана серия моноэлементных карт распределения химических элементов в почвах,снеговом покрове и листьях липы мелколистной в изолиниях коэффициентов концентрации и коэффициентов рассеяния относительно фоновых содержаний элементов, а также серия карт загрязнения химическими элементами депонирующих компонентов среды(почв,снегового покрова,листьев липы)по величине СПК,карта суммарного дефицита химических элементов в липе мелколистной.

-^сследования-показалитчто-раетения-менев-^шфврглатявнн-в-

сравнении с другими депонирующими средами для выявления локальных источников загрязнения среды химическими элементами.По листьям липы проведена классификация химических элементов(накопления и деконцентрации)по информативности к биоиндикации.Выявлены па-рагенные ассоциации микроэлементов,обладающие различной биоинди-кацяонной информативностью.Выделено три группы элементов-индикаторов состояния окружающей среды:I) индикаторы очагов загрязнения (серебро,ванадий,свинец,хром,олозо - т.е. группа приоритетных загрязнителей);2)умеренные индикаторы локальных источников заг-рязнения(молибден,никель); 3)индикаторы экологически опасных очагов загрязнения (марганец и другие биофильные элементы).

."Лоно- и поди элементные биогеохимические карты элементов-нн-дикаторов выявляют очаги загрязнения окружающей среды химическими элементами,однако,в сравнении с лито- и атмогеохимическими картами обладают рядом недостатков.Аномалии концентрации элементов в листьях локальны и мелкоконтурны,вне зон влияния промышленных предприятий происходит резкое снижение концентраций элементов-загрязнителей,ассоциации элементов концентрации в листьях значительно уже ассоциаций концентрации в других депонирующих средах. Использование таких карт необходимо в эколого-геохимических исследованиях урбанизированных территорий при оценке состояния растений в условиях загрязнения (рис. 3).

Моно- и полиэлементные геохимические карты дефицита хтагчес-ких элементов в листьях деревьев целесообразно использовать при изучении реакции растении на загрязнение окружающей среды. Отрицательные биогеохшические аномалии характеризуются площадным характером распространения,полиэлементной структурой ассоциаций, приуроченностью очагов дефицита к'участкам территории с очень сильными и максимальными уровнями загрязнения почв химическими элементами (рис. 4).

,ЙЭ„(СгУ)35п;

„ 00яяСр,(У5П)З шЯ2н(РЬБпЬ, 11 ... ш(СгУЬМ02 11

Рис. 3. Концентрация химических элементов в липе мелколистной (по величине СПК) I - промешенные предприятия; 2 - шкала уровней концентрации; 3 -. биогеохимическая ассоциация

Применение метода биогеохимического картирования позволило выявить распространение аномалий дефицита биофильных элементов на территориях прогрессирующего загрязнения окружающей среда,т.е. на территориях со слабым-средним уровнем современного загрязнения почв и сильным уровнем загрязнения снегового покрова.Данная биогеохимическая особенность не выявлялась при изучении реакции на загрязнение среды методом ключевых площадок.Использование метода биогеохимического картирования по листьям биогеохимически неустойчивого к загрязнению вида дерева позволяет проводить раннюю диагностику неблагоприятной реакции растений на загрязнение в зонах экологического риска(дискомфорта).Источником развития интенсивных отрицательных биогеохимических аномалий здесь могут являться многие факторы - реликтовое загрязнение почв,загрязнение атмосферы, прогрессирующее загрязнение компонентов окружащей среды.

Моно- и полиэлементные карты дефицитных химических элементов целесообразно использовать в эколого-геохимических исследованиях городов для выявления зон повышенной экологической опасности для живых организмов.Карты суммарного дефицита отражают реакцию растений на загрязнение в целом и фиксируют очаги экологически опасных ситуаций. Особенный интерес представляет карта Дефицита марганца - элемента,участвующего в кислородообразупцей системе фотосинтеза, дефицит которого приводит к структурным нарушениям хлоропласт, падению фотосинтетической активности, т.е. к ухудшению среды обитания человека в городе(Кабата-Пендиас,Пендиас,1989)(рис.4V ЕЬачимость карт дефицита марганца состоит в том,что они позваля—. ют экспрессно выявлять зоны повышенного экологического риска.

Практическая значимость работы.Биогеохимические исследования урбанизированных территорий позволяют экспрессно выявлять зоны экологического риска для живых организмов, по изменениям микроэлементного состава вегетативных органов деревьев.Эти исследования являются первым необходимые этапом в изучении реакции растений на загрязнение окружающей среды.Биогеохимическая оценка различных типов зеленых насаждений показала эффективность использования групповых посадок(парков,лесопарков)в системе озеленения городов. Установлены наиболее биогеохимически устойчивые виды деревьев к интегральному загрязнению почв.Предложена шкала биогеохимической устойчивости,которая применима в разработке системы озеленения городов.Биогеохимическое картирование является одним из необходимых В| эффективных методов в комплексе эколого-геохимических ис-22

следований городов,т.к. позволяет фиксировать очаги загрязнения •• среды и оценивать их экологическую опасность для растений.

Материалы диссертации использованы в научных отчетах МОМГЭ ШГРЭ и при составлении комплексной программы природоохранных мероприятий в Генеральном плане, развития г.Москвы до 2010 г. института НИиПИ Генплана г.Москвы.

ВЫВОДЫ

-Е^-Биогеохимические-йсоледования-должнн-примешггься-в-ком--

плексе эколого-геохимичесКих работ.

2. Городским древесным насаждениям свойственны специфические изменения химического состава,с одной стороны - накопление в вегетативных органах деревьев техногенных элементов из группы приоритетных загрязнителей- городской среды,с другой стороны -дефицит элементов биофильной группы.Микроэлементная недостаточность является отличительным признаком деревьев,загрязненных городов.

3. Биогеохимическая оценка деревьев различных типов зеленых насаждений показала,что крупные групповые посадки наиболее устойчивы к современному уровню закрязнения среды химическими элементами. При разработке природоохранной политики города необходимо расширять и реконструировать систему парков и лесопарков в целях создания единого экологического каркаса города, обеспечивающего его жизнедеятельность.

4. Использование биогеохимических методов исследования позволило предложить подход к разработке шкалы биогеохимической устойчивости деревьев к интегральному уровню загрязнения почв химическими элементами.Данный подход может быть применен при разработке системы озеленения города для выбора видов различных типов зеленых насаждений,при проектировании насаждений на территориях

с различными уровнями загрязнения окружающей среды и для благоустройства неиспользуемых "бросовых" городских земель.

5. Метод биогеохимического картирования целесообразно использовать в комплексе эколого-геохимических исследований городов как для выявления очагов загрязнения окружающей среды,так и для оценки стейени их экологической опасности.Применение средств автоматизации картографии позволяет повысить эффективность работ по экологическому картированию.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕ® ДИССЕРТАЦИИ

1. 9 биологическом поглощении химических элементов в городах //Тр.& Всес.сов. Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. Л. :Гидрометеоиздат, 1989. С.212-217 (совместно с Смирновой P.C.).

2. Применение методов биогеохимического картирования для оценки состояния городов /Дезисы докладов научно-технической конференции молодых экологов "Человек в биосфере", Москва,14-16 декабря 1988 г. X:Центр экологических проектов, 1988. C.I28.

3. Оценка возможности изучения загрязнения окружающей среды биогеохимическими методами /Дезисы докладов к U Всес.сов."Теория и практика геохимических поисков в современных условиях", Ужгород, 10-12 октября, 1988 г. М.:ИМГРЭ, 1988. вып.6. С.71-72. (Совместно с Кулачковой О.Г.).

4. Биоиццикадая окружающей среды городов /ДаМ же, 1988. вып.6. С.97-98. (совместно с Смирновой P.C.).

5. Биогеохимическое картирование городов //Тезисы докладов к 1У Региональной научно-технической конференции по тематическому картографированию "Эколого-географическое картографирование и оптимизация природопользования в Сибири", Иркутск, ноябрь 1989 г. Иркутск: Ж1 СО АН СССР, 1989. вып.П. С. II9-I20.-

6. Загрязнение лекарственных растений тяжелыми металлами в промышленных городах //Биогеохимические методы при изучении окружающей среды. Л. :ПЖте, 1989. С. 10-15. (совместно с Смирновой P.C.).

7. Биогеохимическое картирование городов // Там же, 1989. С. 147-160.'