Эколого-биогеохимические особенности промышленных и рекреационных зон г. Самары

Морозова, Наталья Андреевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Эколого-биогеохимические особенности промышленных и рекреационных зон г. Самары
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Эколого-биогеохимические особенности промышленных и рекреационных зон г. Самары"

На правах рукописи

МОРОЗОВА НАТАЛЬЯ АНДРЕЕВНА

ЭКОЛОГО-БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ И РЕКРЕАЦИОННЫХ ЗОН Г. САМАРЫ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Автореферат 4844248

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 1 АПР 2011

Тольятти - 2011

4844248

Работа выполнена на кафедре экологии и охраны окружающей среды Самарской государственной областной академии (Наяновой) и на кафедре экологии, ботаники и охраны природы Самарского государственного университета

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Прохорова Наталья Владимировна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Усманов Искандер Юсуфович доктор биологических наук, доцент Ильина Наталья Анатольевна

Ведущая организация: Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

Защита диссертации состоится 26 апреля 2011 г. в 1230 часов на заседании диссертационного совета Д 002.251.01 при Институте экологии Волжского бассейна РАН по адресу: 445003, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Комзина, 10.

Тел. (8482)489977, тел./факс (8482)489504, E-mail: ¡evbras2005@mail.ru

С диссергацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии Волжского бассейна РАН, с авторефератом - на сайте ИЭВБ РАН по адресу www.ievbras.ru.

Автореферат разослан «_»марта 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Техногенная миграция и аккумуляция макро- и микроэлементов изменяет естественные биогеохимические характеристики экосистем и может приводить к деградации почвенного и растительного покрова на обширных территориях, что особенно остро проявляется в урбоэкосистемах. В этой связи особое значение приобретает количественная оценка эколого-биогеохимической трансформации урбосрсды, результаты которой необходимы для научно-обоснованной организации экологического мониторинга и разработки адекватных мер по снижению загрязнения ее природных компонентов конкретными поллю-тантами, в том числе тяжелыми металлами и соединениями азота.

Недостаточная изученность эколого-биогеохимических проблем крупных промышленных городов Самарской области определяет актуальность настоящего исследования.

Цель исследования - сравнительный анализ эколого-биогеохимических особенностей промышленных и рекреационных (парковых) зон г. Самары.

Задачи исследования:

1) провести сравнительный анализ уровней накопления, пространственной и временной динамики содержания тяжелых металлов, нитратных и нитригных форм азота в почвах промышленных и рекреационных зон г. Самары;

2) осуществить оценку микробиологической активности почв разных функциональных зон города на основе изучения бактерий рода азотобактер (Аго1оЬас!ег Веиеппск, 1901);

3) выявить особенности фитоаккумуляции тяжелых металлов в промышленных и рекреационных зонах г. Самары.

Научная новизна работы. Получены некоторые новые данные о накоплении и динамике содержания тяжелых металлов в почвах и растениях промышленных и рекреационных зон г. Самары. Впервые для Самарской области исследована динамика накопления соединений азота в городских почвах и осуществлена оценка их микробиологической активности в отношении бактерий рода азотобактер в зависимости от функциональной принадлежности городских территорий. Проанализированы возможные связи круговорота тяжелых металлов и азота в городских почвах.

Теоретическое значение. Материалы, изложенные в диссертации, дополняют эколого-биогеохимические аспекты урбоэкологии, вносят определенный вклад в экологическую геохимию и биогеохимию, а также в экологию микроорганизмов. Они расширяют представления об эколого-биогеохимических свойствах городских почв и растений, об особенностях круговорота соединений азота и активности почвенной микробиоты в урбосреде.

Практическое значение. Экспериментальный материал и выводы диссертации могут быть использованы для экологического мониторинга разных функциональных зон города, для разработки программ эколого-биогеохимической реабилитации городских территорий, для экологического обоснования размещения новых промышленных и рекреационных зон г. Самары, а также в учебном процессе в ВУЗах Самарской области.

Связь диссертации с плановыми исследованиями. Диссертационные исследования связаны с планом основных научно-исследовательских работ Самарской государственной областной академии (Наяновой) по теме «Биоэкологические основы устойчивости древесных растений в городских насаждениях». Они также связаны с планом основных научно-исследовательских работ Самарского государственного университета по теме «Проблемы охраны экосистем и биомониторинг в условиях лесостепной и степной зоны» по приоритетному направлению фундаментальных исследований в области биологических наук «Биология популяций, биоценозы, биоразнообразие», включенной в планы работы РАН по программе «Проблемы экологии биологических систем» Головного совета «Охрана окружающей среды» Министерства образования и науки РФ по программе «Фундаментальные проблемы окружающей среды и экологии человека».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9 научных конференциях: на Молодежной научной конференции Самарского муниципального университета Наяновой «Наука. Творчество» (Самара, 2005), III Международной научно-практической конференции «Урбоэкосисте-мы: проблемы и перспективы развития» (Ишим, 2008), II Молодежной научной конференции «Актуальные проблемы Волжского бассейна» (Тольятти, 2009), Международной конференции «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2009), Международной научной конференции «Наука, Творчество» (Самара, 2009), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развитая» (Киров, 2009), IV Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семипалатинск, 2010), Всероссийской заочной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы изучения естественных и антропогенных экосистем Урала и прилегающих регионов» (Стерлитамак, 2010), III Молодежной научной конференции «Актуальные проблемы Волжского бассейна» (Тольятти, 2011).

Публикация результатов исследований. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 12 печатных работах, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ при защите кандидатских диссертаций.

Декларация личного участия автора. Автор лично осуществил всю программу полевых и лабораторных исследований, обработал и проанализировал полученные результаты. Текст диссертационной работы был написан по плану, согласованному с научным руководителем. Доля участия автора в совместных публикациях пропорциональна числу соавторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Среднее содержание тяжелых металлов в почвах большинства промышленных и рекреационных зон г. Самары существенно не отличается и не превосходит существующие нормативы.

2. Содержание нитритного и нитратного азота и активность бактерий рода азотобактер (.Azotobacter Beuerinck, 1901) в парковых почвах выше, чем в промышленных зонах г. Самары. Численность этих бактерий в почвенном покрове промышленных и рекреационных зон может зависеть от рН, содержания гумуса, нитратных и нитритных форм азота.

3. Клен ясенелистный (Acer negundo L.) адаптирован к экологическим условиям урбосредьг, что определяется его высоким жизненным состоянием в промышленных и рекреационных зонах г. Самары, в которых он проявляет сезонную и пространственную динамику металлоаккумуляции. Более высокие концешрации тяжелых металлов характерны для листьев клена из промышленных зон города.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка использованных источников, приложений. Диссертация изложена на 170 страницах машинописного текста, включает 8 таблиц, 41 рисунок, 48 приложений. В библиографическом списке представлено 251 наименование, в том числе 37 - на иностранных языках.

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГО-БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ УРБОЭКОСИСТЕМ (Обзор литературы)

На основе современного литературного материала (Сает, 1982; Ковда, 1985; Кабата-Пендиас, Пецдиас, 1989; Горышина, 1991; Камерилова,199б; Сергейчик, 1994,1999; Владимиров, 1999; Демина, 2000; Янин, 2003; Экология города, 2004; Горохов, 2005; Данилова, 2005; Князева, 2005; Уфимцева, Терехина, 2005; Каве-ленова, 2006; Бычинский, Вашукевич, 2007; Булгакова, 2008; Коробкин, Передель-ский, 2008; Ручин и др., 2009; Рыбалко, 2009 и др.) представлен обзор данных об эколого-биогеохимических особенностях урбоэкосистем, в том числе их почвенного и растительного покрова. Рассматриваются источники и механизмы поступления тяжелых металлов в атмосферу, почвы и растительность городов. Обсуждается проблема повышения концентраций доступных форм азота в городских почвах.

ГЛАВА 2. УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Настоящее исследование осуществлено на территории г. Самары, для которой приводятся основные сведения о природных условиях и техногенных источниках тяжелых металлов. Для оценки эколого-биогеохимических особенностей почвенного и растительного покрова различных функциональных зон г. Самары было заложено 8 пробных площадей, расположенных в ее 4-х районах - Самарском, Промышленном, Красноглинском, Кировском. В каждом из них закладывали по две пробных площади: в рекреационной зоне и в санитарно-защитной зоне крупного промышленного предприятия. В 40 км от г. Самары в пределах лесополосы была заложена контрольная пробная площадь 9.

Объектами исследований служили почвы и растения (клен ясенелистный -Acer negimdo L.) из промышленных, рекреационных зон г. Самары и контрольного участка.

Отбор образцов почв и растений осуществляли в летние месяцы в 2008-2009 гг. общепринятыми в биогеохимии и почвоведении методами. Подготовку почвенных и растительных образцов к лабораторным исследованиям проводили по общепринятым методикам (Глазовская, 1964; Практикум по агрохимии, 1989; Алексеенко, 1990; Методы исследования..1990).

Механический состав почвы определяли «мокрым» методом; содержание гумуса в почве - по методу Тюрина в модификации Никитина; рН почвы -ионометрическим способом; содержание карбонатов - по вскипанию с соляной кислотой (Практикум по почвоведению, 1973); для определения нитратов в почве использовали метод Гранваль-Ляжу; определение нитритов в почве осуществляли с использованием реактива Грисса (Методы исследования..., 1990); численность и активность азотобактера оценивали методом почвенных комочков на безазоти-сгой среде Эшби (Овчинникова, 2009). Жизненное состояние насаждений клена определяли по шкале категорий жизненного состояния деревьев, предложенной В.А. Алексеевым (1989), общую зольность листьев клена выявляли методом сухого озоления в муфельной печи (Практикум по агрохимии, 1989). Количественный анализ валового содержания Zn, Си, Pb, Cd, Ni, Сг в почве и растительном материале осуществляли в специализированной лаборатории Агрохимслужбы Ульяновской области методом атомно-абсорбционной спектроскопии.

Для оценки накопления тяжелых металлов в исследуемых компонентах использовали следующие эколого-геохимические показатели: коэффициент концентрации (Кк) - отношение концентрации конкретного элемента в почвах изучаемой территории к его фоновому аналогу; коэффициент техногенности (Кт) - отношение концентрации элемента в почве каждой городской пробной площади к его

концентрации в почвах контрольного участка; коэффициент биологического поглощения (КБГ1) - отношение концентрации элемента в золе растения к его концентрации в почве места произрастания.

Все первичные результаты экспериментальных исследований были подвергнуты статистической обработке с использованием общепринятых методов и пакета прикладных программ Excel (Зайцев, 1984; Тюрин, Макаров, 1995; Тофель, 1996).

ГЛАВА 3. ДИНАМИКА ОСНОВНЫХ АГРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОЧВ РЕКРЕАЦИОННЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ

ЗОН Г. САМАРЫ

Характер гранулометрического состава изучаемых почв был связан с особенностями рельефа территории г. Самары. На возвышенных водораздельных пространствах они были легко- и среднесуглинистыми, в понижениях рельефа -песчаными и супесчаными. Установлено заметное совпадение гранулометрического состава почв в промышленных и рекреационных зонах из одного района города. Исключением является пара из Самарского района: парк им. Горького -Мукомольный завод.

Почвы г. Самары характеризовались слабощелочным и щелочным рН со средним показателем 7,5, при этом в 2009 г. они проявили более щелочную реакцию, чем в 2008 г. Почвы контрольного участка весь период наблюдений имели нейтральную реакцию. Наиболее близким к контролю был показатель рН почв на пробной площади 7 (парк Металлургов). По значению рН почвы промышленных зон были более щелочными, чем почвы парковых территорий. В летние месяцы 2008 г. показатель рН наиболее значимо менялся для почв Самарского и Красно-глинского районов. В 2009 г. выраженная динамика рН была характерна для почв парка ДК «Искра», Металлургического завода и парка Металлургов.

Карбонаты выявлены во всех анализируемых почвах, но максимальное их содержание характерно для почв завода им. Тарасова и завода «Электрощит». При анализе содержания карбонатов в почвах по отдельным вегетационным периодам была установлена тенденция их большего накопления в 2009 г., связанная, очевидно, с более высокой температурой и меньшим количеством осадков в летние месяцы этого года по сравнению с 2008 г. Исключение составляют почвы парка им. Гагарина и завода «Электрощит». В целом значительных различий в накоплении карбонатов в 2008 и 2009 гг. по всем пробным площадям не выявлено.

Содержание гумуса в исследуемых почвах изменялось в широких пределах (от 0,4 до 5,08%) со средним показателем 2,8 % и не превышало фонового уровня для почв Самарской области (5-7%) (Почвы.., 1985; Матвеев и др., 1997). Наибо-

лее низкое содержание гумуса было характерно для контроля, а наиболее приближенными к региональному фону оказались почвы парка им. Гагарина. В 2009 г. произошло заметное накопление органического углерода в почве большинства пробных площадей, за исключением почв завода им. Тарасова и парка ДК «Искра». В целом содержание гумуса в почвах парков было выше, чем в промышленных зонах, что подтверждает предположения о бедности и общей деградации почв санитарно-защитных зон крупных предприятий г. Самары.

ГЛАВА 4. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ РЕКРЕАЦИОННЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗОН Г. САМАРЫ

В период наблюдений содержание всех анализируемых тяжелых металлов в почвах изученных пробных площадей не превышало ОДК и региональные фоновые концентрации (ГН 2.1.7.2042-06; Ровинский и др., 1982; Матвеев и др., 1997; Перельман, Касимов, 1999). Региональный фон был превышен только по содержанию валовых форм РЬ, что, очевидно, связано с ежегодным увеличением транспортной нагрузки на всей территории г. Самары.

Общие средние показатели содержания тяжелых металлов в почвах рекреационных и промышленных зон в 2008 и 2009 гг. достоверно не отличались. Была выявлена лишь слабая тенденция возрастания концентраций большинства элементов, кроме в 2009 г. (табл. 1). Средние показатели содержания металлов в почвах города достоверно не отличались от контроля.

Таблица 1. Среднее содержание тяжелых металлов в почвах промышленных и рекреационных зон г. Самары, мг/кг

Варианты | 2п | Си | РЬ | С<1 | № | Сг

2008 г.

Промзоиы 32,52±4,113 17,51±2,170 15,47±2,077 1,11±0,273 14,31 ±2,032 12,68±1,698

Парки 33,02±1,618 18,18±1,187 16,02*1,179 1,16*0,098 14,90±1,10б 13,25±0,998

2009 г.

Промзоиы 32,08± 1,481 20,22±1,223 17,47±1,151 1,48±0,250 18,88±0,835 17,13±0,745

Парки 32,03±0,533 19,90±0,419 17,52±0,420 1,39±0,089 19,50±0,294 17,23±0,498

Контроль 33,8041,233 19,73±2,400 17,42*2,250 1,27±0,367 17,18±3,250 15,70*3,000

Регион, фон* 75,50 27,50 ИДО 52,00 28,60 102,00

ОДК** 220,00 132,00 130,00 2,00 80,00 -

* Магаеевидр., 1997; ** ГН 2.1.7.2042-06

Анализ металлоаккумуляции почвами парковых территорий по отдельным вегетационным сезонам показал, что в 2008 г. максимальные концентрации всех тяжелых металлов были характерны для почв парка им. Горького, а по некоторым элементам еще и для парка Металлургов. В 2009 г. по всем рекреационным зонам

концентрации металлов были достаточно близкими, но максимальными концентрациями выделялись почвы парка Металлургов. Минимальное содержание тяжелых металлов было выявлено в почвах парка ДК «Искра», что может быть связано с его расположением в наиболее экологически чистом Красноглинском районе г. Самары, примыкающем к берегу Саратовского водохранилища, Сокольим горам и отделенным от основной части города лесными массивами (рис. 1).

1 2 3 4 5 6 7 8

Пробные площади

РЬ

►—Средний показатель

- Контроль

Рис.1. Среднее содержание свинца в почвах изучаемых пробных площадей

Анализ данных по промзонам показал, что в 2008 г. наиболее высокое содержание тяжелых металлов было характерно для почв завода им. Тарасова. В 2009 г. наиболее загрязнены тяжелыми металлами были почвы Металлургического завода. Весь период исследований минимальное содержание металлов наблюдалось в почвенном покрове завода «Электрощит», расположенного в Красноглинском районе, что только подтверждает низкую загрязненность данной территории, связанную как с ее природными условиями, так и с отсутствием значимых потоков полиметаллического загрязнения от самого предприятия.

По средним уровням содержания тяжелых металлов в изучаемых почвах парки в целом сходны с промышленными зонами. Парки являются естественными барьерами на пути потоков загрязнения, а также основными рекреационными центрами города, поэтому загрязненность их почв вполне объяснима. Достоверно более высокими были уровни металлоаккумуляции в почвах завода им. Тарасова (2008 г.), а также в почвах Металлургического завода и парка Металлургов (2009 г.), но ии одна из выявленных концентраций не превосходала ПДК и ОДК. На фоне существенной сезонной динамики в 2008 г. для почв большинства изучаемых рекреационных и промышленных зон концентрации тяжелых металлов были ниже контрольных показателей или равны им, а в 2009 г. - равны (2п, Си,

РЬ) или слабо превосходили их (N1, СД Сг). В целом же эколого-биогеохимические особенности почв всех изученных пробных площадей отражает следующий элементный ряд: 2п > Си > РЬ > № > Сг > Сё, что может указывать на сходный характер миграции и аккумуляции металлов в почвенном покрове г. Самары.

Коэффициенты концентрации представлены в табл. 2 и отражают особенности накопления тяжелых металлов в городе по сравнению с фоном. Изучаемые элементы по данному показателю образуют три группы. В первой представлены 7м, N1 и Сг, для которых Кк существенно ниже 1. Во вторую группу попадает только Си с Кк близким к 1. В третьей группе объединены наиболее токсичные элементы - РЬ и Сс1, для которых на всех пробных площадях Кк больше 1, что особенно выражено для Сс1. При этом Кк для РЬ демонстрирует достаточно слабую динамику, она сходна для большинства пробных площадей с максимумом для завода им. Тарасова и минимумом для завода «Электрощит». Максимальные показатели Кк Сс1 характерны для парка им. Горького, завода им. Тарасова, Металлургического завода. Минимальные показатели Кк для всех изученных элементов установлены для почв завода «Электрощит» и парка ДК «Искра» (Красно-глинский район).

Таблица 2. Коэффициенты концентрации тяжелых металлов для почв рекреационных и промышленных зон г. Самары

Пробные площади гп Си РЬ са № Сг

1. Парким. Горького 0,69 1,01 1,79 2,83 0,45 0,08

2. Мукомольный завод 0,62 0,89 1,54 2,33 0,40 0,07

3. Парк им. Гагарина 0,66 0,94 1,63 2,67 0,42 0,07

4. Завод им. Тарасова 0,76 1,09 1,93 3.27 0,48 0,09

5. Парк ДК «Искра» 0,59 0,85 1,48 2,07 0,39 0,07

6. Завод «Электропил» 0,55 0,79 1,36. 1,70 0,35 0,06

. 7. Парк Металлургов 0,65 1,01 1,81 2,63 0,46 0,08

8. Металлургический завод 0,66 1,01 1,76 3.07 0,43 0,08

9. Контроль 0,68 0,99 1,74 2,53 0,43 0,08

Коэффициент техногенности (Кт) 7л выше единицы в почвах парка им. Горького и завода им. Тарасова. Кт Си, РЬ и № превышают единицу в почвенных образцах из парка им. Горького, завода им. Тарасова, парка Металлургов и Металлургического завода. Наиболее высокие показатели Кт С<3 были характерны для тех же пробных площадей, включая парк им. Гагарина. Значение Кт Сг превышает единицу только для почв завода им. Тарасова и парка Металлургов. Высокий показатель Кт по всем тяжелым металлам выявлен для почв парка им. Горького и почв Промышленного района города (парк им. Гагарина и завод им. Тарасова) (табл. 3.). Относительно высокий уровень содержания тяжелых металлов в

почвах контроля объясняет низкие показатели Кт для городских почв, но основные тенденции их меташтоаккумуляции достаточно хорошо прослеживаются.

Таблица 3. Коэффициент техногенности тяжелых металлов для почв _ _рекреационных и промышленных зон г. Самары

Пробные площади 2я Си РЬ С<3 № Сг

1. Парк им. Горького 1,03 1,02 1,03 1,12 1,05 0.99

2. Мукомольный завод 0,91 0,90 0,88 0,92 0,92 0,90

3. Парк им. Гагарина 0,98 0,95 0,93 1,05 0,98 0,95

4. Заводим. Тарасова 1,13 1,10 1,11 1,29 1,13 1,09

5. Парк ДК «Искра» 0,88 0,86 0,85 0,82 0,90 0,88

6. Завод «Элекгрощнт» 0,82 0,80 0,78 0,67 0,81 0,81

7. Парк Металлургов 0,96 1,03 1,04 1,04 1,07 1,06

8. Металлургический завод 0,97 1,02 1,01 1,21 1,00 0,99

ГЛАВА 5. СОЕДИНЕНИЯ АЗОТА И АКТИВНОСТЬ АЗОТОБАКТЕРА В ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ РЕКРЕАЦИОННЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ

ЗОН Г. САМАРЫ

Средний показатель содержания нитритов в почвах всех изучаемых пробных площадей был равен 1,54 мг/кг. По содержанию нитритов в 2008 г. пробные площади составляли следующий убывающий ряд (мг/кг): Парк им. Гагарина (5,63)

> Парк им. Горького (2,06) > Завод им. Тарасова (1,37) > Парк Металлургов (1,33)

> Металлургический завод (1,15) > Завод «Электрощит» (1,04) > Контроль (0,91) > Парк ДК «Искра» (0,61) > Мукомольный завод (0,53).

В 2009 г. ситуация для некоторых пробных площадей изменилась, на что указывают их перестановки в убывающем ряду (мг/кг): Парк им. Гагарина (4,03) > Парк Металлургов (2,31) > Парк им. Горького (1,78) > Парк ДК «Искра» (1,68) > Завод «Электрощит» (1,01) > Завод им. Тарасова (0,67) > Мукомольный завод (0,59) > Металлургический завод (0,54) > Контроль (0,48) (рис. 2).

Рис. 2. Содержание нитритов в почвах изучаемых пробных площадей

СГЭ2008 1^Э2009 -•-Средний показатель

123456789 Пробные площади

Среднее содержание нитратов в изучаемых городских почвах за весь период исследований составляло 75,4 мг/кг (рис. 3). Пространственную динамику этого показателя в 2008 г. отражает следующий убывающий ряд (мг/кг): Парк им. Горького (94,36) > Парк Металлургов (91,12) > Парк ДК «Искра» (87,01) > Парк им. Гагарина (81,63) > Контроль (71,11) > Мукомольный завод (71,07) > Завод им. Тарасова (69,07) > Металлургический завод (60,82) > Завод «Электрощит» (38,39).

В 2009 г. уровень содержания нитратов в целом проявил тенденцию к увеличению (мг/кг): Парк им. Горького (120,58) > Парк Металлургов (89,80) > Парк им. Гагарина (84,94) > Парк ДК «Искра» (78,14) > Мукомольный завод (74,12) > Завод им. Тарасова (65,80) > Металлургический завод (63,55) > Завод «Электрощит» (60,51) > Контроль (55,26).

Рис. 3. Содержание нитратов в почвах изучаемых пробных площадей

Некоторые перестановки в рядах пробных площадей в 2009 г. как по содержанию нитритного, так и нитратного азота в целом не изменили общей закономерности: их содержание достоверно выше в почвах рекреационных зон г. Самары.

Существенная и разнонаправленная сезонная динамика содержания нитритного и нитратного азота, выявленная в изучаемых городских почвах в летние месяцы 2008-2009 гг., очевидно, отражает динамику климатических условий и связанную с ней микробиологическую активность, которые специфично проявляются в зависимости от положения пробной площади в рельефе и от агрохимических свойств почв.

Корреляционный анализ не выявил значимой зависимости между нитритным азотом в почве и тяжелыми металлами в 2008 и 2009 гг. Определенная положительная связь наблюдалась в 2008 г. между нитратным азотом почвы и содержанием в ней валовых форм Ъх\ (г = 0,34), Си, N1, Сг (г = 0,41), РЬ (г = 0,38) и Сс1 (г = 0,40).

Относительная численность азотобактера составила 100% в почвах парка им. Горького и им. Гагарина. Средние показатели выявлены в образцах почв заво-

да им. Тарасова (26,5%), ДК «Искра» (18,7%) и Металлургического завода (29,3%). Остальные пробы почв по обрастанию бактериями варьируют от 4,8 до 8,3%, что относится к очень низким показателям.

Анализ колоний, выросших вокруг комочков почвы на твердой безазотистой среде Эшби в вегетационный сезон 2009 г., обнаружил различную величину их диаметра на 7-й день инкубации посевов (от 1 до 7,5 мм), которая проявляет заметную динамику не только в ходе сезонных, но и ежедневных исследований (табл. 4).

Таблица 4. Характеристики колоний азотобактера в зависимости _от времени и места отбора почвенных образцов

Пробные площади Диаметр колоний на 7-й день инкубации посевов (мм) Интенсивность пигментации колоний (башты)

июнь июль август июнь июль август

1. Парким. Горького 7,3 7,04 5,3 3 3 3

2. Мукомольный завод 6 5 6 2 2 2

3. Парк им. Гагарина 7,1 6,8 6,4 3 3 3

4. Заводим. Тарасова 6,6 7,4 6 2 2 2

5. Парк ДК «Искра» - 6 5,3 1 2 3

6. Завод «Электрощит» 6 - 5,6 2 1 2

7. Парк Металлургов 6 6,7 1 2 2 1

8. Металлургический завод 5,2 6,2 6 3 2 2

9. Контроль - 5,8 - 1 2 1

Примечание: показатели интенсивности пигментации ранжировали в баллах: «1» ■ бесцветные колонии; «2» - наличие бесцветных и пигментированных колоний; «3» - пигментированные колонии; «-»- рост в пределах почвенных комочков.

Тенденция к снижению диаметра колоний прослеживалась для почв из парковых зон и из промзоны завода «Электрощит». Максимальные показатели отмечены в почвах парков им. Горького, им. Гагарина и завода им. Тарасова. Кроме того, была выявлена разная интенсивность окраски колоний (от бесцветных до темно-бурых), что может свидетельствовать об адаптационных процессах в популяциях азотобактера из разных функциональных зон города (Скворцова и др., 1997).

Исследование состояния азотобактера в изучаемых почвах обнаружило отличие не только в интенсивности пигментации колоний, но и в характере их роста по поверхности агара. При исследовании азотобактера в почвах заводов им. Тарасова, «Электрощит» и Металлургического завода с 5-го по 7-й дни инкубации почв было обнаружено нарушение роста колоний: четкий концентрический колониальный рост азотобактера вокруг почвенных комочков сменился «сплошным» аномальным ростом по поверхности агара. Таким образом, исследование состояния азотобактера в почвах, испытывающих различное антропогенное воздействие, обнаружило различие и в уровне его защитной реакции, о чем свидетельствует разная интенсивность пигментации колоний и изменения в характере их роста.

Вероятно, в почвах заводов им. Тарасова, «Электрощит» и Металлургического завода азотобактер находится в «стрессовом» состоянии, что проявляется в сплошном аномальном росте колоний.

Для азотобактера была выявлена достоверная и высокая положительная корреляция с содержанием гумуса (г=0,71), а также с содержанием нитратов и нитритов (г = 0,7 и 0,65 соответственно) в почвах, с содержанием тяжелых металлов значимых корреляций не наблюдали.

ГЛАВА 6. ЭКОЛОГО-БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КЛЕНА ЯСЕНЕЛИСТНОГО В РЕКРЕАЦИОННЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗОНАХ Г. САМАРЫ

Оценка жизненного состояния клена ясенелистного в зависимости от условий произрастания показала, что почти все его насаждения на изучаемых пробных площадях соответствовали максимальному классу жизненности (1 балл), что свидетельствует о высокой устойчивости данного вида к условиям городской среды.

Средний показатель общей зольности листьев клена составил 13,2 %. По этому показателю пробные площади составляют следующий ряд (2008/2009 гг.): Парк им. Горького (15,79/17,12) > Парк им. Гагарина (15,32/16,19) > Мукомольный завод (14,56/14,11) > Металлургический завод (13,42/14,29) > Парк ДК «Искра» (13,25/15,54) > Завод «Электрощит» (12,05/12,45) > Парк Металлургов (11,55/12,64) > Завод им. Тарасова (11,25/11,42) > Контроль (8,08/7,68). Общая зольность листьев клена со всех городских пробных площадей была достоверно выше контрольных показателей.

В целом динамика общей зольности листьев клена в 2008 и 2009 гг. характеризуется определенным, хотя и не полным сходством, что, с одной стороны, указывает на влияние факторов среды обитания на данный интегральный показатель, а с другой стороны, подтверждает вывод об устойчивости клена к урбосреде.

В табл. 5. представлены усредненные данные содержания тяжелых металлов в листьях клена ясенелистного, отобранных в промышленных и рекреационных зонах города Самары в период исследований. В 2008 г. содержание всех изученных тяжелых металлов было выше в образцах из промзон по сравнению с парками. Исключением является Сг, содержание которого было сходным. В 2009 г. средние показатели по паркам стали ниже только для РЬ и содержание Сё и Сг в парках осталось неизменным. В 2009 г. наблюдается достоверное увеличение уровня содержания Ъп и Си во всех зонах.

Биогеохимические особенности клена ясенелистного на всех пробных площадях отражал следующий элементный ряд: > Си > М > Сг >РЬ > СсЗ.

Таблица 5. Среднее содержание тяжелых металлов в листьях клена ясенелист-_ного из промышленных и рекреационных зон г. Самары, мг/кг

Варианты гп Си РЬ са № Сг

2008 г.

Промзоны 11,45±1,298 6,82±1,108 0,44±0,076 0,25±0,055 0,63±0,086 0,38±0,081

Парки 9,33±0,805 5,15±0,667 0,38±0,045 0,21±0,034 0,59±0,078 0,38±0,054

2009 г.

Промзоны 16,45±0,953 11,59±0,706 0,36±0,040 0,20±0,027 0,46±0,040 0,39±0,03б

Парки 16,27±0,607 11,24±0,639 0,35±0,040 0,21±0,028 0,47±0,037 0,38±0,039

Контроль 18,23±0,300 13,09±0,085 0,60±0,170 0,35±0,085 0,72±0,175 0,54±0,050

Критич. конц. 150,0-200,0 15,0-20,0 10,0 5,0-10,0 20,0-30,0 1,0-2,0

Фитотокс. конц. 400,0 20,0-100,0 >60,0 100,0 80,0-100,0 100,0

Региональный фон 39,95 24,01 0,63 <0,20 2,86 0,78

* БаиегЬеск, 1982; ** Уег1оо йа1, 1982; *** Прохорова и др., 1998

Коэффициент биологического поглощения, характеризующий интенсивность накопления элементов, для всех тяжелых металлов был максимален в контроле, что подтверждает активное распространение полиметаллического загрязнения аэральным путем от крупного промышленного центра как комплексного источника. По величине КБП выделяются Ъл и Си, показатели которых максимальны на всех изученных пробных площадях. При этом в городе они наиболее активно поглощаются на территории завода «Электрощит». Минимальные показатели поглощения характерны для РЬ, № и Сг. На всех городских территориях они не превышают 0,3 с максимальными показателями для той же территории завода «Электрощит». Сё на части городских участков (Мукомольный завод, завод им. Тарасова, парк Металлургов и завод «Электрощит») и в контроле накапливается в количестве, превышающем концентрацию в почве (КБП > 1). Самый высокий КБП Сс1 характерен для клена с контрольного участка (3,99) (табл. 6).

Таблица 6. Коэффициент биологического поглощения тяжелых металлов листьями клена ясенелисгного

Вариашы 7л Си РЬ С<1 № Сг

1. Парк им. Горького 2,08 2,13 0,12 0,91 0,21 0,17

2. Мукомольный завод 2,79 3,13 0,17 1.27 0Д4 0,22

3. Парк им. Гагарина 2,30 2,51 0,13 0.87 0,18 0,15

4. Завод им. Тарасова 3,43 3,80 0,22 1,55 0,29 0,22

5. Парк ДК «Искра» 2,93 3,22 0,16 1,05 0,23 0,17

6. Завод «Электропил» 4,34 5,18 0.25 2,10 0,36 0,28

7. Парк Металлургов 3,71 3,91 0,21 1,81 0,29 0,22

8. Металлургический завод 3,16 ЗД4 0,14 0.97 0,21 0,13

9. Контроль 6,86 8,56 0,46 3,99 0,57 0,46

В целом уровень содержания тяжелых металлов в листьях клена ясенелист-ного, произрастающего в границах г. Самары, не превышает установленных критических (Sauerbeck, 1982), фитотоксичных (Verloo et al., 1982) и региональных фоновых концентраций (Прохорова и др., 1998). В 2008 г. максимальные концентрации были характерны для клена с заводов им. Тарасова, «Электрощит» и парка Металлургов, в 2009 г. - с территорий парка Металлургов и Металлургического завода. При этом более значимое полиметаллическое загрязнение почв не обязательно положительно коррелирует с повышенным содержанием металлов в фито-массе с соответствующих пробных площадей. При максимальном уровне накопления большинства анализируемых элементов кленами из промзон достаточно высоки их концентрации и в растениях парков. Это свидетельствует о значимости атмосферного переноса поллютантов и их фолиарного поглощения, а также о роли барьерных механизмов регуляции корневого поступления металлов в растения. Полученные данные подтверждают необходимость увеличения территорий парковых насаждений вблизи промышленных предприятий и автомобильных дорог, что будет способствовать снижению поступления тяжелых металлов в селитебные зоны города.

выводы

1. В период исследований (2008-2009 гг.) геохимические особенности почвенного покрова разных функциональных зон г. Самары были сходными и характеризовались следующим элементным рядом: Zn > Си > Pb > Ni > Cr > Cd. Общие средние показатели содержания всех анализируемых тяжелых металлов для городских почв и контроля достоверно не отличались. На фоне существенной сезонной динамики в 2008 г. для почв большинства изучаемых рекреационных и промышленных зон концентрации тяжелых металлов были ниже контрольных показателей или равны им, а в 2009 г. - равны (Zn, Си, РЬ) или слабо превосходили их (Ni, Cd, Cr).

2. Достоверно более высокими были уровни металлоаккумуляции в почвах завода им. Тарасова (2008 г.), а также в почвах Металлургического завода и парка Металлургов (2009 г.), но ни одна из выявленных концентраций не превосходила ПДК и ОДК. Весь период наблюдений минимальный уровень содержания тяжелых металлов был характерен для почв завода «Электрощит» и парка ДК «Искра» в Красноглинском районе г. Самары. Для почв всех пробных площадей максимальные коэффициенты концентрации (Кк >1) были установлены для РЬ и Cd, минимальные (Кк < или = 1) - для Zn, Ni, Cr, Си. Наиболее обогащенными РЬ и Cd оказались почвы завода им Тарасова и Металлургического завода (Кк от 1,76 до 3,07).

3. Содержание нитритного и нитратного азота во всех изученных почвах не превышало ПДК и характеризовалось разнонаправленной и существенной динамикой в вегетационные сезоны 2008 и 2009 гг. Весь период наблюдений почвы парков отличались более высоким содержанием нитратов и нитритов по сравнению с почвами промзон и контрольного участка.

4. Относительная численность бактерий рода азотобактер {Azotobacter Beue-rinck, 1901) была 100%-ной в почвах парков им. Горького и им. Гагарина, средними показателями характеризовались почвы Металлургического завода (29,3%), завода им. Тарасова (26,5%) и парка ДК «Искра» (18,7%), очень низкими (от 4,8 до 8,3%) - почвы всех остальных пробных площадей. Азотобактер проявил достоверную и высокую положительную корреляцию с содержанием гумуса (r=0,71), а также с содержанием нитратов и нитритов (г = 0,7 и 0,65 соответственно), с содержанием тяжелых металлов значимых корреляций не наблюдали.

5. В период наблюдений на всех пробных площадях накопление тяжелых металлов в листьях клена ясенелистного (Acer negundo L.) не превышало нормативных показателей и характеризовалось следующим элементным рядом: Zn > Си > Ni > Cr >Pb > Cd. Средние концентрации всех анализируемых элементов в листьях клена из промышленных и рекреационных зон г. Самары достоверно уступали контролю. В условиях города в 2008 г. максимальная металлоаккумуляция была характерна для клена с заводов им. Тарасова и «Электрощит», по части элементов - парка Металлургов и парка им. Горького, в 2009 г. - с территорий Металлургического завода и парка Металлургов. Клен ясенелистный в промышленных и рекреационных зонах г. Самары характеризовался высокими показателями жизненного состояния, что свидетельствует о значимом адаптационном потенциале данного вида к условиям урбосреды.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Морозова H.A., Прохорова Н.В. Аккумуляция тяжелых металлов в почвах и растениях урбосреды // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. 2007. №4(10). С. 77-81.

2. Экологические аспекты химического загрязнения почвенного покрова в городе Самаре / Н.В. Прохорова, A.A. Лобачева, Н.О. Рогулева, H.A. Морозова // Известия Самарского центра РАН. № 1(4). 2009. С. 562-566.

3. Морозова H.A., Прохорова Н.В. Соединения азота и тяжелые металлы в почвенном покрове г. Самары // Вестник ОГУ. Оренбург, 2009. С. 133-135.

Публикации в журналах, сборниках и материалах конференций

4. Морозова H.A. Биогеохимические особенности древесных и травянистых растений в условиях городской среды. // Наука. Творчество: Материалы молодежной научной конференции Самарского муниципального университета Наяновой, 27 апреля 2005 г. Самара, 2005. С. 184-187.

5. Морозова H.A. Биогеохимические особенности растений в урбосреде г. Самара // Урбоэкосистемы: проблемы и перспективы развития: материалы III Международной научно-практической конференции. Ишим: Издательство ИГПИ им. П.П. Ершова, 2008. Вып. 3. С. 120-122.

6. Морозова H.A. Тяжелые металлы в почвах и растениях г. Самара // Экологический сборник 2: Труды молодых ученых Поволжья. Тольятти: ИЭВБ РАН, «Кассандра», 2009. С. 115-119.

7. Морозова H.A. Аккумуляция тяжелых металлов в почвах г. Самара // Экологические проблемы промышленных городов: Сборник научных трудов. Саратов: Изд-во Саратовского государственного технического университета, 2009. Ч. 2. С. 175-177.

8. Морозова H.A. Накопление нитритов и нитратов в почвах г. Самара // Наука. Творчество. V Международная научная конференция. 2009 г. Самарский государственный университет (Наяновой). М.: Изд-во Международного социально-экологического союза, 2009. Т.2. С. 15-17.

9. Морозова H.A., Прохорова Н.В. Аккумуляция тяжелых металлов в растениях г. Самары на примере клена ясенелистного // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития: Материалы Всероссийской научно-практической конференции в 2 частях. Киров, 2009.4.1. С. 110-112.

10. Морозова H.A. Тяжелые металлы в промышленных и парковых зонах г. Самары // Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде: Материалы VI Международной научно-практической конференции. Семипалатинский государственный педагогический институт, 4-7 февраля 2010 года. Т. II. Семей, 2010. С. 322-324.

11. Морозова H.A. Особенности зольного состава листьев клена ясенелистного в условиях г. Самары // Проблемы и перспективы изучения естественных и антропогенных экосистем Урала и прилегающих регионов: Сб. материалов заочной всероссийской науч.-практ. конф. г. Стерлитамак, 21-22 мая 2010 г. Стерлита-мак: Стерлитамак. гос. пед. академия им. Зайнаб Биишевой, 2010. С. 174-177.

12. Морозова H.A. Активность Azotobacter в почвенном покрове рекреационных и промышленных зон г. Самары // Экологический сборник 3: Труды молодых ученых Поволжья. Тольятти: Кассандра, 2011. С. 153-156.

Морозова Наталья Андреевна

ЭКОЛОГО-БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ И РЕКРЕАЦИОННЫХ ЗОН Г. САМАРЫ

Автореферат на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Подписано в печать 15.03.2011. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ

Отпечатано в издательстве СГАУ. 443086, Самара, Московское шоссе, 34.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Морозова, Наталья Андреевна

Содержание.

Введение.

1. ЭКОЛОГО-БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ УРБОЭКОСИСТЕМ .:.

1.1. Город как экосистема.

1.2. Почвенный покров крупных промышленных городов.

1.3. Растительность крупных промышленных городов.

1.4. Антропогенное воздействие на природную среду урбоэкосистем.

1.5. Химическая трансформация природных компонентов городской среды.

1.6. Тяжелые металлы и азот в почвенном покрове городов.

2. УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Физико-географическая характеристика района исследования.

2.2. Условия и объекты исследований.

2.3. Методы исследования.

2.3.1. Полевые исследования.

2.3.2. Лабораторные исследования.

2.4. Математическая обработка данных.

3. ДИНАМИКА ОСНОВНЫХ АГРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОЧВ РЕКРЕАЦИОННЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗОН Г. САМАРЫ.

4. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ РЕКРЕАЦИОННЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗОН Г. САМАРЫ.

5. СОЕДИНЕНИЯ АЗОТА И АКТИВНОСТЬ АЗОТОБАКТЕРА В ПОЧВЕННОМ ПОКРОВЕ РЕКРЕАЦИОННЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗОН Г. САМАРЫ.

6. ЭКОЛОГО-БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КЛЕНА ЯСЕНЕЛИСТНОГО В РЕКРЕАЦИОННЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗОНАХ

Г. САМАРЫ.•.

Выводы.:.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Эколого-биогеохимические особенности промышленных и рекреационных зон г. Самары"

Актуальность темы. Техногенная миграция и аккумуляция макро- и микроэлементов изменяет естественные биогеохимические характеристики экосистем и может приводить к деградации почвенного и растительного покрова на достаточно обширных территориях, что особенно остро проявляется в урбоэкосистемах. В этой связи особое значение приобретает количественная оценка эколого-биогеохимической трансформации урбосреды, результаты которой необходимы для научно-обоснованной организации экологического мониторинга и разработки адекватных мер по снижению загрязнения ее природных компонентов конкретными поллютантами (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Битюцкий, 2005), в том числе тяжелыми металлами и соединениями азота.

В ближайших к промышленным предприятиям зонах, возле транспортных магистралей содержание тяжелых металлов часто значительно превышает ПДК, изменяются их нормальные соотношения, что может стать причиной деградации растительного покрова, усиленной эрозии и дефляции почв (Горышина, 1991, Горохов, 2005). Несмотря на активное изучение этих эколого-биогеохимических проблем, закономерности накопления и распределения тяжелых металлов в почвах и растениях конкретных городов достаточно индивидуальны и не раскрыты в должной мере (Безносов и др., 2005; Кулагин, Шагиева, 2005).

Еще одной эколого-биогеохимической проблемой селитебных зон является распространение азота и его соединений в соотношениях, не свойственных естественным природным условиям. Роль азота для процессов жизнедеятельности общеизвестна, но в настоящее время в его биогеохимии наметились опасные для человека тенденции. Химизация сельского хозяйства, быстрое развитие индустрии, транспорта, животноводства, птицеводства, рыбного хозяйства, увеличение доли зернобобовых в посевах значительно увеличили поступление азота в воздух, воды и почвы. Возникла угроза локального и регионального повышения концентрации соединений азота до токсичных для человека уровней (Ковда, 1985).

Недостаточная изученность данных эколого-биогеохимических проблем для крупных промышленных городов Самарской области определяет актуальность настоящего исследования.

Цель исследования — сравнительный анализ эколого-биогеохимических особенностей промышленных и рекреационных (парковых) зон г. Самары.

Задачи исследования:

1) провести сравнительный анализ уровней накопления, пространственной и временной динамики содержания тяжелых металлов, нитратных и нитритных форм азота в почвах промышленных и рекреационных зон г. Самары;

2) осуществить оценку микробиологической активности почв разных функциональных зон города на основе изучения бактерий рода азотобактер (АгоШЪааег Веиеппск, 1901);

3) выявить особенности фитоаккумуляции тяжелых металлов в промышленных и рекреационных зонах г. Самары.

Международной научной конференции «Наука, Творчество» (Самара, 2009), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» (Киров, 2009), IV Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семипалатинск, 2010), Всероссийской заочной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы изучения естественных и антропогенных экосистем Урала и прилегающих регионов» (Стерлитамак, 2010), III Молодежной научной конференции «Актуальные проблемы экологии Волжского бассейна» (Тольятти, 2011).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 12 печатных работах, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ при защите кандидатских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка использованных источников, приложений. Диссертация изложена на 170 страницах машинописного текста, включает 8 таблиц, 41 рисунок, 48 приложений. В библиографическом списке представлено 251 наименование, в том числе 37 - на иностранных языках.

Информация о работе

Морозова, Наталья Андреевна
кандидата биологических наук
Самара, 2011
ВАК 03.02.08

Диссертация

Эколого-биогеохимические особенности промышленных и рекреационных зон г. Самары - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы