Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Комплексная эколого-химическая оценка и нормирование качества почвенно-растительного покрова городских экосистем
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)
Автореферат диссертации по теме "Комплексная эколого-химическая оценка и нормирование качества почвенно-растительного покрова городских экосистем"
На правах рукописи
ПОПОВА Людмила Федоровна
КОМПЛЕКСНАЯ ЭКОЛОГО-ХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ГОРОДСКИХ ЭКОСИСТЕМ (на примере Архангельска)
Специальность 03.02.08 - Экология
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора биологических наук
005557948
2 2 ЯНВ 2015
Петрозаводск — 2015
005557948
Работа выполнена на кафедре химии и химической экологии Института естественных наук и технологий федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» (г. Архангельск)
Научный доктор сельскохозяйственных наук, профессор
консультант: Наквасина Елена Николаевна
Официальные Федорец Наталия Глебовна
оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Федерального
государственного бюджетного учреждения науки «Институт леса» Карельского научного центра РАН, лаборатория лесного почвоведения, заведующая Минкина Татьяна Михайловна
доктор биологических наук, профессор, Федеральное государ ственное автономное образовательное учреждение высшего про фессионального образования «Южный федеральный универси тет», кафедра почвоведения и оценки земельных ресурсов Акаде мин биологии и биотехнологии Зачиняев Ярослав Васильевич
доктор химических наук, доктор биологических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А.И. Герцена», Выборгский филиал, кафедра социального и естественнонаучного образования
Ведущая Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
организация: «Институт проблем промышленной экологии Севера» Кольского научного центра РАН
Защита диссертации состоится «25» марта 2015 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.212.190.01 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, Россия, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, д. 33, эколого-биологический факультет, тел. факс: 8 (8142)76-38-64; e-mail:
dissovet@petrsu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Петрозаводского государственного университета www.petrsu.ru. с авторефератом - на сайтах университета www.petrsu.ru и ВАК ЬПр:/7уак.ее!.gov.ru
Автореферат разослан « » (£У 2015 г
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук:
фг
И.М. Дзюбук
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Неблагоприятная экологическая ситуация в крупных промышленных центрах Европейского Севера России, сложившаяся под воздействием техногенных нагрузок, обуславливает антропогенную модификацию окружающей среды и приводит к изменениям свойств отдельных биотических компонентов и качества жизни населения. В результате регулярного антропогенного и техногенного воздействия происходит неизбежное ухудшение экологического состояния урбоэкосистем в целом и почвенно-растительного покрова в частности. Высокая концентрация промышленных предприятий и интенсивный автотранспортный поток на городских улицах являются основными причинами повышенного загрязнения природных объектов тяжелыми металлами и нарушения баланса содержания в них биофильных элементов (Почва...., 1997; Природный комплекс..., 2000; Климентьев и др., 2006).
В крупном городе формируется своеобразная система жизнедеятельности с новыми биогеохимическими процессами обмена энергии и веществ, во многом определяющими качество городской среды. Это характерно для многих крупных промышленных центров и городов России (Кулагин, 1974; Израэль, 1984; Фролов, 1998; Николаевский, 2002), в том числе и для Архангельска, экологическая обстановка в котором формируется под влиянием выбросов и сбросов загрязняющих веществ предприятий теплоэнергетики, целлюлозно-бумажной промышленности и автотранспорта.
Оценка техногенного загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами в условиях северных широт, где компоненты окружающей среды отличаются низкой устойчивостью и степенью восстановления, особенно актуальна. Учитывая суровые условия Севера, невозможно перенести на него нормативы, разработанные для других территорий РФ, необходима разработка и утверждение региональных нормативов и стандартов, которые учитывали бы специфические условия региона и функциональных зон города. Однако, несмотря на то, что вопросам охраны окружающей природной среды уделяется большое внимание на государственном уровне, проблемы урбанизированной среды городов Европейского Севера, в том числе таких крупных как Архангельск, остаются недостаточно изученными.
Цель и задачи исследований. Цель исследования - обоснование и разработка нормативных критериев комплексной эколого-химической оценки состояния почвенно-растительного покрова основных функциональных зон г. Архангельска для последующего создания системы почвенно-химического мониторинга.
Были поставлены следующие задачи:
1. Проанализировать степени загрязнения тяжелыми металлами и обеспеченности биофильными элементами типичных почв (культуроземы, урбаноземы, реплантозе-мы, дерновые, торфяные) основных функциональных зон г. Архангельска (промышленной и селитебной, зоны городских лесов и лугов) с целью оценки экологического состояния городской экосистемы.
2. Провести сравнительные исследования поведения химических элементов в системе «почва-растение», определить факторы, способствующие закреплению ТМ в почве и перераспределению их в почвенно-растительном покрове, выявить закономерности миграции, трансформации и транслокации химических элементов, а также взаимного влияния их друг на друга.
3. Смоделировать интенсивности накопления и вероятности загрязнения тяжелыми металлами компонентов почвенно-растительного покрова в Архангельске.
4. Экспериментально обосновать подходы к экологическому нормированию городской среды в условиях Севера, определить принципы создания и разработать систему экологического нормирования содержания ТМ и других экологических показателей в почвах применительно к условиям Севера, дать рекомендации по организации поч-венно-химического мониторинга, нормализации и улучшению экологической обстановки для конкретных урбанизированных территорий.
5. Провести экологическое зонирование селитебной зоны города с использованием ГИС-технологий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• Впервые проведена комплексная химико-аналитическая оценка экологического состояния почвенно-растительного покрова основных функциональных зон г. Архангельска: изучен химический состав, определены уровни загрязнения, дана оценка химического состояния объектов эколого-химического контроля.
• Впервые установлено, что в городских почвах на Севере увеличивается риск загрязнения растительного покрова и грунтовых вод ТМ вследствие накопления фуль-вокислот (до 30 %), образующих с поллютантами комплексные соединения, обладающие высокой подвижностью.
• Впервые выявлено загрязнение городских почв не только ТМ, но и фосфором, и предложена шкала экологического нормирования подвижных форм фосфора, позволяющая оценить степень антропогенного зафосфачивания. Установлено, что при за-фосфачивании почв доступность фосфора как элемента питания растений снижается и отмечается дефицит фосфора в растениях.
• Впервые определено, что на характер накопления ТМ в городских почвах оказывает влияние совокупность физико-химических параметров (величина рН почвенного раствора, в сочетании с емкостью катионного обмена, содержанием органического вещества и физической глины), установлены их пороговые значения; так, РЬ2+ и 2,п2* с гумусовыми кислотами образуют прочные комплексные соединения в интервале 6,37,7 рН.
• Впервые установлено влияние содержания биофильных элементов в городских почвах на накопление в них ТМ. В условиях Севера накопление ТМ почвами происходит до их обеспеченности фосфат-ионами в количестве 500-900 мг/кг, ионами калия - 450-600 мг/кг, нитрат-ионами - 70-100 мг/кг.
• Впервые определено, что на накопление ТМ в растениях влияет содержание в почве элементов питания. Транслокация ТМ в растения замедляется при содержании в почве азота в концентрации 40-80 мг/кг, фосфора - 75-120 мг/кг, калия - 110-150 мг/кг.
• Впервые установлено, что при высоком аэротехногенном загрязнении в городских растениях Севера накапливаются 2п, N1, Со, Си и РЬ, в то время как Бе и Мп наименее доступны для всех видов растений, несмотря на высокие концентрации их в почве, вследствие увеличения депонирующей роли корня, являющегося защитным барьером для фотосинтезирующих органов.
• Впервые выявлено, что в городских почвах в отличие от природных изменяется не только степень подвижности ТМ, но и фракционно-групповой состав соединений этих металлов, в зависимости от химического элемента и его валового содержания. С увеличением валового содержания ТМ до 1,0-2,0 ПДК в поверхностном слое город-
ских почв резко уменьшается доля самых подвижных доступных для растений обменных форм ТМ.
• Впервые определено, что высокие концентрации подвижного железа в городских почвах Севера могут в перспективе сделать его приоритетным загрязнителем почв, наряду с существующим сейчас приоритетным накоплением Си, РЬ.
• Впервые установлено различие в уровне фитотоксического действия на растения валового содержания и содержания подвижных форм ТМ в почве (при оценке по ПДК); фитотоксическое воздействие валового содержания свинца начинает сказываться при содержании его в почве более 1 ПДК, тогда как фитотоксическое действие подвижных форм свинца сказывается при содержании ТМ менее 1 ПДК, что признано показателем химической деградации при санитарно-гигиеническом нормировании уровня загрязнения почв. При увеличении валового содержания ТМ (для РЬ более 2-х ПДК) в городских почвах сокращается доля самых подвижных легко обменных соединений, что способствует снижению фитотоксичности.
• Впервые выполнено эколого-геохимическое картографическое зонирование территории селитебной зоны города и создан комплект из 50 электронных тематических карт, отражающих степень загрязненности городских почв ТМ и обеспеченности их биофильными элементами.
• Впервые установлены концентрации валового содержания и содержания подвижных форм ТМ, влияющие на экологическое состояние разнотравья и фитотоксичность почв, определены лимитирующие концентрации основных ТМ, являющихся загрязнителями почв Архангельска, которые стали основой для разработки основных подходов и принципов создания единой системы нормативов (критериев) и перечня диагностических показателей оценки качества природной городской среды и устойчивости экосистемы к химическим загрязнениям с учетом факторов деградации.
Теоретическая и практическая значимость работы Теоретическая значимость работы заключается:
• В разработке и апробации (на примере Архангельска) комплексного подхода к экологической оценке почвенно-растительного покрова городских экосистем, заключающегося в тесной взаимосвязи физико-химических параметров почв, содержания биофильных элементов и разных трансформационных форм ТМ в почвах и растениях.
• В установлении причинно-значимых факторов и их пороговых значений (совокупность физико-химических свойств почвы и содержание элементов питания), определяющих накопление и закрепление тяжёлых металлов в компонентах урбоэкосистемы и основных закономерностей в распределении разных трансформационных форм соединений металлов в городских почвах; выявлении различий в городских и природных почвах Севера по физико-химическим характеристикам, содержанию биофильных элементов и форм накопления тяжелых металлов.
• В установлении протекторной роли фосфора и возможности загрязнения (до 30 раз выше нормы) им городских почв Севера. При зафосфачивании почв доступность фосфора как элемента питания растений снижается и отмечается дефицит фосфора в растениях.
• В установлении лимитирующих значений содержания в городских почвах биофильных элементов, определяющих уровень накопления ТМ в разнотравье.
• В установлении закономерностей изменения фракционно-группового состава соединений ТМ в городских почвах, по сравнению с природными почвами, их зависимости от химического элемента и его валового содержания. С увеличением валового
содержания ТМ до 1,0-2,0 ПДК в городских почвах резко уменьшается доля самых подвижных доступных для растений обменных форм ТМ.
• В выработке подходов при установлении лимитирующих концентраций ТМ через систему почва-растение, используя толерантность растений к ТМ; установлении снижения ответной реакции растений на повышение загрязнения почв ТМ, вызванной изменением соотношения трансформационных форм непрочно связанных соединений ТМ в сторону сокращения доли самых доступных для растений обменных форм при валовом содержании ТМ в 1,0-2,0 ПДК.
Практическая значимость работы заключается:
• В возможности использования установленных механизмов закрепления металлов в почве для проектирования способов рекультивации загрязнённых почв и формирования почвогрунтов.
• В использовании сформированного банка данных содержания металлов в почве и растениях органами государственного управления и экологическими организациями для планирования градостроительства и оценки недвижимости (земель), разработки природоохранных мероприятий.
• В возможности использования выводов, нормативов и рекомендаций, материалов и методов системного подхода, предложенных в работе, при проведении мониторинговых исследований и управлении качеством городской среды.
• В использовании материалов работы в лекционных курсах института естественных наук и биомедицины и лесотехнического института Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова; при написании учебных пособий и монографий.
Методология и методы исследований. В основу методологии экологических исследований урбоэкосистем города положены работы М.А. Глазовской (1988, 1992), В.В. Добровольского (2006), И.В. Ефремова (2002, 2008, 2009), В.Б. Ильина (1988, 1991, 1992, 1995, 2002), А. Кабата-Пендиас (1,989, 2005), Л.П. Капелькиной (2006), Т.М. Минкиной (2008, 2011), Г.В. Мотузовой (1994, 2009), М.Д. Уфимцевой и Н.В. Терехиной (2005), А.С. Яковлева (1997, 2000, 2007) и др., а также признанный в настоящее время основным ландшафтный подход, в центре внимания которого находится морфолого-структурное строение ландшафтов (функциональных зон), образовавшихся в результате хозяйственной деятельности человека, изменяющей подвижность, кумуляцию, трансформацию и транслокацию химических элементов в почвен-но-растительном покрове.
В основу подбора современных методик эколого-химических исследований положены нормативные документы.
При проведении работы было использовано три основные группы методов исследований: полевые - закладка пробных площадей, отбор проб почв и растений, их пробоподготовка; лабораторные - химико-аналитическое исследование проб почв и растений; камеральные - обработка результатов анализов с применением специализированных компьютерных программ на основе методов математической статистики и ГИС-технологий.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Эколого-химический анализ состояния урбоэкосистемы г. Архангельска: оценка уровней обеспеченности биофильными элементами и загрязнения тяжелыми металлами основных компонентов почвенно-растительного покрова города, оценка экологического состояния почв по агрохимическим показателям и влияния загрязнения
почвенного покрова на уровень содержания элементов питания и тяжёлых металлов в растительности.
2. Состав соединений ТМ в городских почвах и их накопление в растениях зависят от количества поступивших металлов и их специфических особенностей, от присутствия других металлов в системе, от свойств загрязненных почв и длительности нахождения в них металлов.
3. Изменение подвижности ТМ в городских почвах непосредственно связано с групповым составом соединений металлов, формирующимся в результате различных трансформационных процессов. Подвижность Ъл и РЬ уменьшается, а Си возрастает из-за изменения доли обменных форм в фракционно-групповом составе соединений ТМ.
4. Сравнительный анализ существующих в настоящее время рядов ТМ, загрязняющих почвенно-растительный покров г. Архангельска, и прогнозируемых рядов ТМ показал их неоднозначность. Прогнозируется загрязнение почвенно-растительных систем селитебной зоны Со (урбаноземы) и РЬ (реплантоземы), промышленной зоны -N1 (урбаноземы) и РЬ (реплантоземы), дерновых почв городских лугов - Бе, а торфяных почв городских лесов - РЬ и Мп.
5. Разработанные научно обоснованные критерии и система эколого-химического нормирования качества городских почв и организации почвенно-химического мониторинга.
Степень достоверности и апробация результатов. Научные положения диссертационной работы, выводы и рекомендации являются результатом натурных и лабораторных исследований, проведённых с применением современных физико-химических методов анализа с использованием калиброванной, юстированной и поверенной аппаратуры, стандартных и аттестованных методик. Достоверность результатов исследований определяется большим массивом используемого фактического материала. Корректность полученных результатов подтверждена их сходимостью при повторных экспериментах с высокими коэффициентами точности и достоверности.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на международных (Архангельск, 2005, 2007; Одесса, 2006; Комсомольск-на-Амуре, 2006; Ростов-на-Дону, 2006; Москва, 2006; Санкт-Петербург, 2007, 2009; Италия, 2007; Савона-Гамбург, 2008; Улан-Удэ, 2009; Кострома, 2010; Владимир, 2010; Уфа, 2010, 2011; Пенза, 2011; Астрахань, 2012) и Всероссийских (Иркутск, 2005; Йошкар-Ола, 2006; Архангельск, 2006, 2008, 2009, 2012; Киров, 2008; Астрахань, 2009; Томск, 2010; Москва, 2010; Сочи, 2010) конференциях; на Перфильевских и Сибирцевских научных чтениях (Архангельск, 2007, 2010); V и VI съездах общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008; Петрозаводск, 2012), на Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика» (Йошкар-Ола, 2009; Архангельск, 2011).
Данная работа была поддержана: грантами РФФИ и Администрации Архангельской области № 05-04-97531, 11-04-98800-а, внутренним грантом САФУ № 4 (2012 г.), в которых автор был руководителем, и грантами РФФИ и Администрации Архангельской области № 02-04-97508, 08-04-98808, Проектом 1-7 администрации Архангельской области (2008 г.), в которых автор был исполнителем.
По материалам диссертации опубликовано 113 печатных работ, в том числе 22 - в изданиях, рекомендованных ВАК (РИНЦ - 42; индекс Хирши - 2) и 6 монографий.
Диссертация изложена на 396 страницах, содержит 103 таблицы, 99 рисунков, комплект из 50 карт и состоит из введения, 8 глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 639 источников и 9 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность проведенных исследований, сформулированы цель и задачи, научная новизна и практическое значение.
В Главе 1. Проблемы городских экосистем (обзор литературы) освещаются проблемы, связанные с предметом исследования. Глава включает обзор научной информации об экологических проблемах урбанизированных территорий; обеспеченности урбоэкосистем биофильными элементами и загрязнении их тяжелыми металлами; методах эколого-химической оценки состояния почвенно-растительного покрова городских экосистем и проблемах экологического нормирования в городах.
В Главе 2. Техногенное воздействие на окружающую среду Архангельска рассмотрены физико-географическая и климатическая характеристики г. Архангельска, даны особенности основных функциональных зон города: техногенно-антропогенных (промышленная и селитебная), природно-антропогенных (городские леса и луга. Охарактеризованы основные источники и виды химического загрязнения атмосферного воздуха, поверхностных вод и почвы в городе.
Глава 3. Объекты и методы исследований. Объектом исследования был выбран почвенно-растительный покров основных функциональных зон г. Архангельска, территориально расположенного на Севере Европейской части Российской Федерации, но по своим природно-климатическим характеристикам приравненный по местоположению к условиям Крайнего Севера.
На территории г. Архангельска заложено 115 пробных площадей, описание которых проводили согласно общепринятым методикам с учетом рекомендаций по изучению городских почв (Методические указания..., 1996; Почва..., 1997; Байбеков и др., 2007; Наквасина и др., 2007). Отбор, хранение и транспортировка проб почв и растений, отобранных для химического анализа, осуществлялись в соответствии с ГОСТ (17.4.4.02-84, 27262-87).
Лабораторные исследования были выполнены на базе лаборатории биогеохимических исследований института естественных наук и биомедицины САФУ и частично при финансовой поддержке Минобрнауки России на оборудовании ЦКП НО «Арктика» на базе «Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова». Определение физико-химических показателей почв выполнялось в соответствии с ГОСТ (26483-85, 26423-85, 26213-91), ISO 11271:2002 и общепринятыми методиками (Теория и практика..., 2006, Ганжара, Борисов, 2002).
Для определения содержания тяжелых металлов и биофильных элементов в почвенно-растительном покрове использовали химические и инструментальные методы анализа: титриметрические (кислотно-основные и комплексонометрические), методы атомной (рентгенофлуоресцентный и атомно-абсорбционный) и молекулярной (фотометрический и турбидиметрический) спектроскопии, электрохимические методы (прямая потенциометрия), аттестованные методики (ГОСТ, ПНД Ф) и современные приборы (спектрометры Lab Center XRF-1800, Contr AA-700 и AA-7000, UV-3600; анализатор ртути «Mercur». иономер И-160 и др.).
Полученные данные обрабатывали статистически при помощи пакета программ Microsoft Excel 7,0. С применением ГНС Maplnfo Professional 11.0. выполнено эколо-го-геохимическое картографическое зонирование территории селитебной зоны г. Архангельска.
Глава 4. Оценка обеспеченности биофильными элементами
4.1. Физико-химические параметры почвенного покрова
В городских условиях, в отличие от природных аналогов, происходит понижение кислотности почв до значений рН (6,5-8,0), близких к нейтральным и даже щелочным. Характерны высокие значения степени насыщенности почв основаниями (до 99,2%) и суммы поглощенных оснований (до 68,3 мг-экв./100 г почвы), значительные колебания величин емкости катионного обмена (0,8-180,3 мг-экв./100 г почвы), не характерные для природных почв области, преобладание восстановительных процессов (ЕЬ < 450 мВ, индекс аэробности гН2 < 27), способствующее возникновению восстановленных форм соединений Бе и Мп, образованию 8032" и Ы02", что оказывает токсическое действие на растительный покров и почвенную биоту. Содержание органического вещества (0,3-39,9%) и физической глины (частиц менее 0,01 мм) неравномерное (0,2-76,0%) и зависит от особенностей формирования почв, в первую очередь от опесчаненности, характерной для почв Архангельска. Накопление фульвокислот (до 28,5%) в почвах отдельных функциональных зон увеличивает риск загрязнения растительного покрова и грунтовых вод ТМ вследствие высокой подвижности обра-
9Н он
0 т $
-- >ус-у ■♦н*
зуемых ими комплексных соединении: .В целом,
в городских почвах наблюдаются благоприятные условия для развития растений и микроорганизмов, связывания некоторых растворимых соединений ТМ.
4.2. Содержание биофилъных элементов в компонентах экосистемы
Обеспеченность почв биофильными элементами (БЭ). Почвы Архангельска характеризуются средними значениями содержания элементов питания растений (ЭП), но обеспеченность ими почв зависит от функциональной зоны города и типа почв. Азот является преобладающим элементом питания в почвах пригорода, тогда как в городских почвах, особенно в промышленной зоне отмечается его недостаток (< 50 мг/кг).
Недостаток калия (< 40 мг/кг) и избыточное содержание фосфат-ионов (> 700 мг/кг) испытывают все типы почв селитебной зоны и торфяные почвы городских лесов. Для них характерно антропогенное зафосфачивание. Наоборот, избыток калия (> 300 мг/кг) и недостаток фосфат-ионов (< 50 мг/кг) испытывают опесчаненные ре-плантоземы промышленной зоны и дерновые почвы городских лугов.
Техногенная нагрузка на городские почвы приводит к увеличению доли токсичных для растений ионов: (до 202 мг/кг), СГ (до 247 мг/кг), 8042" (до 814 мг/кг), сохраняя высокое содержание в них Са2+ (до 380 мг/кг).
Распределение подвижных форм биофильных элементов по профилю разных типов почв Архангельска отличается от распределения в природных почвах, как правило, имеет гумусово-аккумулятивный характер и зависит от миграционных свойств химических элементов, которые обладают разной подвижностью и особенностями закрепления в почве. Наименьшей миграционной способностью в городских почвах обладает фосфор.
Обеспеченность растений элементами питания (ЭП). В растениях всех функциональных зон города, независимо от типа почв наблюдается сходный характер накопления ЭП. Исключение составляет фосфор, аккумуляция которого в древесной растительности промышленной зоны выше (коэффициент концентрации Кк > 1), чем в дру-
rax функциональных зонах города, где отмечается дефицит содержания фосфат-ионов (Кк < 0,7) в растениях. Это может быть обусловлено различным содержанием в почвах доступных для растений форм фосфора.
Наблюдается активное накопление калия растительностью города по сравнению с природной зоной (Кк >1), что связано в первую очередь с избыточным содержанием этого элемента в почвах. Нитратный азот (Кк >1), так же как и калий, в большей степени аккумулируется разнотравьем, чем древесными растениями независимо от типа почв, на которых они растут. Особенно высокие его концентрации отмечены в растениях, произрастающих на торфяных почвах.
Разный уровень потребления ЭП приводит к их перераспределению по растению. При оптимальном содержании ЭП в растении они распределяется по отдельным вегетативным органам равномерно. При избыточном их содержании фосфор депонируется в надземной части разнотравья и в корнях древесных пород, калий - в корнях растений, а нитратный азот в их наземной части.
Элементы питания в системе «почва-растение». Ряд накопления ЭП в растениях не зафосфаченных территорий города аналогичен природному фону и выглядит следующим образом: N03~< К20 < Р2О5. На зафосфаченных почвах поглощение фосфора растениями снижается из-за дефицита содержания доступных для растений форм и ряд накопления ЭП меняется: N03~< Р2О5 < К20.
Содержание ЭП в почвенно-растительном покрове может быть использовано в качестве биогеохимического индикационного показателя оценки экологического состояния городских экосистем. Особое внимание следует обратить на фосфор. В условиях городской среды Севера вследствие высокого содержания подвижного фосфора в почвах наблюдается их антропогенное зафосфачивание, снижающее доступность растениям микроэлементов и отрицательно сказывающееся на состоянии почвенной биоты. Антропогенное зафосфачивание городских почв относится к одному из видов техногенного загрязнения, согласно шкале экологического нормирования подвижных форм фосфора (таблица 1).
Таблица 1 - Шкала экологического нормирования подвижных форм фосфора, Р2О5, мг/кг
Уровень обеспеченности Степень загрязнения (зафосфачивания)
Очень низкий <20 Очень низкая 251-500
Низкий 26-50 Низкая 501-750
Средний 51-100 Средняя 751-1000
Повышенный 101-150 Повышенная 1001-2000
Высокий 151-250 Высокая 2001-3000
Очень высокий 251-500 Очень высокая >3000
Глава 5. Оценка загрязнения тяжелыми металлами
5.1. Загрязнение почв
Валовое содержание тяжелых металлов ГГМ). Для почв г. Архангельска характерно полиэлементное загрязнение, однако на накопление химических элементов оказывает влияние специфика техногенно-антропогенного воздействия. В зависимости от типа почвы и функциональной зоны города имеются различия в валовом содержании ТМ. Максимальное валовое содержание ТМ характерно для селитебной зоны, что обусловлено возрастом застройки и эксплуатации территории (более 400 лет) (таблицы 2-3). Относительная незагрязнённость почв промышленной зоны, несмотря на большую техногенную нагрузку, объясняется коротким сроком использования этих земель (около 30 лет) и особенностями гранулометрического состава почв.
Таблица 2 - Среднее валовое содержание ТМ, мг/кг, в почвах различных функциональных зон г. Архангельска
Функциональные зоны города Си гп РЬ N1 Со С<3 Аз Мп V
Техногенно-антропогенные зоны
Промышленная (п=50) 16 ±6 71±21 28±17 20±4 <10 <0,1 <1,0 1,0±0,2 360±148 35±10
Селитебная (п=136) 34±13 129±39 96±29 26±4 <10 0,6±0,2 <1,0 2,2±0,4 433±161 28±7
Природно-антропогенные зоны
Городские луга (п=25) 10±1 55±9 5±1 43±5 <10 <0,1 <1,0 1,9±0,3 1089±254 72±11
Городские леса (п=15) 23±14 57±20 10±4 24±6 <10 0,4±0,1 <1,0 8,1±1,3 476±174 32±13
ПДК ГМУ 2.1.7.730-99] 53 87 32 85 50 2,10 2,0 2,0 1500 150
Фон * 7,4±0,4 35±2 2,8±0,1 15±1 6,3±0,3 <0,1 <1,0 0,5±0,1 399±20 30±2
Таблица 3 - Среднее валовое содержание ТМ, мг/кг, в различных типах почв г. Архангельска
Типы городских почв | Си | Zn | РЬ | N1 | Со | | Сс1 | Ав | Мп | V
Техногенно-антропогенные зоны
Культуроземы (п=10) 33±6 474±91 168±17 н/д <10 0,4±0,1 <1,0 2,9±0,2 н/д н/д
Урбаноземы (п=101) 28±3 121±39 76±19 22±4 <10 0,6±0,2 <1,0 2,0±0,4 445±161 32±7
Реплантоземы (п=75) 26±4 73±19 83±21 23±5 <10 0,1 ±0,02 <1,0 1,8±0,3 300±34 35±7
Природно-антропогенные зоны
Дерновые почвы (п=25) 9,7±1,2 55±9 5,4±0,9 43±5 <10 <0,1 <1,0 1,9±0,3 1089±254 72±11
Торфяные почвы (п=15) 23±14 57±20 10±4 24±6 <10 0,4±0,1 <1,0 8,1±1,3 476±174 32±13
ПДК [МУ 2.1.7.730-99] 53 87 32 85 50,0 2,10 2,0 2,0 1500 150
Фон * 7,4±0,4 35±2 2,8±0,1 15±1 6,3±0,3 <0,1 <1,0 0,5±0,03 399±20 30±2
Примечание - * средние значения содержания ТМ в почвах Архангельской области по данным 2009 года станции агрохимической
службы «Архангельская»; н/д - нет данных
Функциональные зоны города Си Хп РЬ N1 Со Мп Ре
Техногенно-антропогенные зоны
Промышленная (п =50) 4,7±0,9 32±5 2,2±0,6 1,1 ±0,2 1,1 ±0,2 93±20 483±97
Селитебная (п =136) 2,4±0,6 19±3 1,5±0,2 1,0±0,1 1,2±0,1 157±52 354±79
Природно-антропогенные зоны
Луга (п=25) 2,5±0,3 16±1 1,6±0,2 1,4±0,1 1,5±0,2 75±19 591±99
Леса (п=15) 4,4±0,8 14±2 1,3±0,3 1,0±0,2 1,2±0,2 146±21 1426±116
ПДК[МУ2.1.7.730-99] 3,0 23 6,0 4,0 5,0 140 н/д
Фон* 1,3±0,1 3,3±0,2 0,3±0,01 0,3±0,01 0,40±0,01 65±2 310±62
Таблица 5 - Содержание подвижных форм ТМ, мг/кг, в основных типах почв г. Архангельска
Типы городских почв Си Ъа. РЬ N1 Со Мп Ре
Техногенно-антропогенные зоны
Культуроземы (п=10) 1,7±0,4 18±2 1,5±0,3 0,9±0,2 1,5±0,2 126,2±20,4 424±97
Урбаноземы (п=101) 3,7±0,6 26±3 1,8±0,2 1,0±0,1 1,2±0,1 205,9±52,1 349±79
Реплантоземы (п=75) 3,0±0,6 23±3 1,6±0,2 1,2±0,1 1,1±0,1 93,0±52,1 354±79
Природно-антропогенные зоны
Дерновые (п=25) 2,5±0,6 16±2 1,6±0,2 1,3±0,1 1,5±0,2 102±39 694±99
Торфяные (п=15) 5,0±0,8 12±2 1,4±0,3 1,0±0,2 1,1 ±0,2 114±21 1472±116
ПДК[МУ2.1.7.730-99] 3,0 23 6,0 4,0 5,0 140 н/д
Фон* 1,3±0,1 3,3±0,2 0,3±0,01 0,3±0,01 0,40±0,01 65±2 310±62
Примечание - * средние значения содержания ТМ в почвах Архангельской области по данным 2009 года станции агрохимиче-
ской службы «Архангельская»
По суммарному показателю техногенного загрязнения селитебная зона в целом {Хс = 45,6) и особенно культуроземы (2С = 83,3) могут быть отнесены к категории опасного загрязнения почв ТМ, почвы других зон города испытывают умеренно опасную степень загрязнения. Основным поллютантом почв техногенно-антропогенных зон города является РЬ, а природно-антропогенных зон города -Ав.
Содержание Си, РЬ, ^ и Ав повышено по сравнению с фоновыми значениями (Кк > 3,0) в селитебной зоне; РЬ - в промышленной зоне; Ав, РЬ и Си - в зоне городских лесов; Мп и Ав - в зоне городских лугов. Для купьтуроземов и ур-баноземов основными поллютантами являются Си, Тп, РЬ и (Кк > 3,0); для ре-плантоземов - РЬ, Си и Ав; для дерновых почв - Мп и Аэ; для торфяных почв - Аб, Си, РЬ и
Содержание подвижных форм ТМ. В зависимости от типа почвы и функциональной зоны города имеются различия и в накоплении подвижных форм ТМ (см. таблицы 4-5). Максимальное накопление подвижных форм ТМ наблюдается в более молодой промышленной зоне города, что связано с высокой опесчаненностью почв, приводящей к снижению буферных свойств почвы по отношению к ТМ и увеличению образования их слабофиксированных форм.
По суммарному показателю техногенного загрязнения подвижными формами ТМ все почвы города могут быть отнесены к категории умеренно опасных (23,7 >7.с> 12,4). Основными загрязнителями выступают РЬ и Zn, а в торфяных почвах зоны городских лесов также Ре.
Высокая подвижность ТМ, особенно Zn, Мп и Си обуславливает повышение суммарного показателя загрязнения (промышленная зона — до 23,7), и в условиях низких защитных свойств большинства городских почв может стать причиной загрязнения растительного покрова.
Особенности распределения и миграции ТМ в профиле почв. Распределение металлов по почвенному профилю природных и природно-антропогенных зон относительно равномерное. Загрязнение ТМ городских почв, как правило, имеет гу-мусово-аккумулятивный характер, это связано в первую очередь с их аэротехногенным поступлением, прочным закреплением на биогеохимических сорбционных барьерах путем связывания с гумусовыми веществами почв и за счет биологического накопления. Причем аккумуляция Си, Ъп и РЬ в городских почвах имеет схожий характер.
5.2.Загрязнение растительного покрова
Аккумуляция ТМ в растениях отражает специфику антропогенного воздействия и в некоторой степени повторяет ряд накопления элементов в почвах: основными поллютантами растений техногенно-антропогенных зон города являются Си, 7.п и РЬ, а также Со (в селитебной зоне). Основными поллютантами разнотравья природно-антропогенных зон города выступают Со и N1, а древесно-кустарниковых пород - РЬ, Мп, Со и
Немаловажную роль в загрязнении растений играет и пылевое воздействие: содержание Zn, Си и РЬ в пылевых частицах, осевших и сорбированных на поверхности растений, увеличивает содержание металлов в листьях и траве более чем на 30%.
Техногенная среда вносит свои коррективы и в процессы взаимодействия химических элементов. Антропогенное влияние приводит к изменению диапазона поглощения тяжёлых металлов растениями и изменяет защитные функции их от-
дельных органов. Существенно увеличивается депонирующая роль корня у разнотравья по отношению к РЬ, Мп и №, у древесно-кустарниковых пород - к РЬ, Мп, Бе, Со и №. что является защитным барьером для фотосинтезирующих органов. Накопление Си, 2п и РЬ в наземных частях древесно-кустарниковых пород уменьшается в ряду: береза > ива > сосна > тополь > ольха, при этом максимальной аккумулирующей способностью обладает листва тополя, которая особенно активно накапливает
Накопление ТМ в фотосинтезирующих органах древесных и травянистых растений, как в естественных условиях, так и в условиях городской среды (на примере селитебной зоны) имеет сходный характер. Листьями древесно-кустарниковых пород и наземной частью разнотравья накапливаются в большей степени Ре, Ъп и Мп, в меньшей - N1 и РЬ. Аккумулирующая способность по отношению к ТМ (РЬ, Си и Хп) у фотосинтезирующих органов городских растений снижается в ряду: ольха > береза = разнотравье > ива > тополь > сосна.
5.3. Тяжелые металлы в системе почва-растение
2п относится к элементам сильного накопления растениями, а остальные элементы - слабого накопления или среднего захвата. Интенсивность поглощения ТМ отдельными видами растений в разных условиях обитания отличается, а ряд потенциальной доступности химических элементов для растений в целом выглядит так: гп > Си > Мп > № = РЬ.
Наиболее доступными ТМ для растений города, так же как и фоновой территории, согласно коэффициенту биогеохимической подвижности, являются и № (Кбгхп> 2,0). При высоком пылевом загрязнении ряд поглощения ТМ существенно изменён в сторону большего накопления Со, Си и РЬ. Бе и Мп наименее доступны для всех видов растений, несмотря на высокие концентрации их в почве.
По содержанию Бе в разнотравье большая часть городских почв Архангельска входит в зоны экологического бедствия или чрезвычайной экологической ситуации, что обусловлено своеобразием отложений и ожелезненностью вод региона. По содержанию 2п, Со и Си в разнотравье часть локальных почв города относятся к зонам чрезвычайной экологической ситуации.
При анализе данных в системе «почва-растение» установлено, что на накопление ТМ в растениях влияет содержание в почве как элементов питания, так и ТМ. Снижение накопления ТМ в растениях начинается при содержании азота в почве в концентрации 40-80 мг/кг в зависимости от функциональной зоны, фосфора-75-120 мг/кг, калия - 110-150 мг/кг (рисунок 1).
Содержание «алии, иг'г
Содержания нитрат-ионов мгЛог
40 60 80 т Содержание фофат-ионов, шкг
А Б В
Рисунок 1 — Зависимость содержания ТМ (на примере цинка) в разнотравье от уровня обеспеченности почв элементами питания: калия в селитебной зоне (А), нитратов в промышленной (Б) зоне и фосфатов в зоне городских лугов (В)
В почвах техногенно-антропогенных зон города снижение накопления ТМ растениями начинается при валовом содержании в почве: РЬ - более 100 мг/кг, Zr^~ 270-320 мг/кг, Си - 43-47 мг/кг, № - 23-28 мг/кг, Мп - 500-600 мг/кг и при содержании подвижных форм: Ъп - 45-50 мг/кг, РЬ - 2,0-2,5 мг/кг, Си - 4,2-5,2 мг/кг, N1 - 1,5-1,6 мг/кг, Со - 1,3-1,5 мг/кг, Мп - 170-200 мг/кг, Ре - 750-850 мг/кг. При этом только 3% проанализированных почв по степени фитотоксичности можно считать экологически чистыми. В городе преобладают почвы со слабой (66%) и средней (31%) степенью фитотоксичности. Почв с высокой (недопустимой) степенью фитотоксичности в г. Архангельске не выявлено.
Глава 6. Закрепление и перераспределение тяжелых металлов в почвах 6.1. Факторы, влияющие на закрепление и перераспределение тяжелых металлов
На характер накопления ТМ в почвах и взаимосвязь между ними оказывают влияние совокупность физико-химических параметров почв: величина рН почвенного раствора, содержание органического вещества и физической глины, емкость катионного обмена. В частности, рН в сочетании с ЕКО, содержанием физической глины или органического вещества. Так, на примере РЬ, 2п и Си выявлена прямая зависимость содержания ТМ в почвах г. Архангельска от наличия в них органического вещества (т-Си,ов =0,61 ± 0,15; г2пов = 0,66 ±0,17; гРЬ,ов = 0,68 ± 0,19), незначительно усиливающаяся влиянием уровня рН. При этом установлено, что с РЬ2+ и гумусовые кислоты образуют прочные комплексные соединения при рН 6,37,7.
Накопление ТМ в почвах в определенной степени зависит и от содержания в них элементов питания (рисунок 2). Снижение накопления ПФ ТМ в почвах происходит при уровне их обеспеченности фосфат-ионами в количестве 500-900 мг/кг, ионами калия - 450-600 мг/кг, нитрат-ионами - 70-100 мг/кг, в зависимости от металла.
Содажшмфосфгг-иономгкг
300 400 500 600 700 800 900 1000 Содержание ионов шлия, иг/с
Содержание нитрет-иоиов, ыг
А Б В
Рисунок 2 - Зависимость между уровнем обеспеченности почв техногенно-антропогенных зон г. Архангельска биофильными элементами и содержанием в них подвижных форм ТМ (на примере свинца): фосфат-ионами (А), ионами калия (Б), нитрат-ионами (В)
Тяжелые металлы в почвах оказывают взаимное парное влияние на накопление: РЬ и 2.П, РЬ и Си, 7л\ и Си (рисунок 3), а также Мп и N1, V и №, V и Си, № и Си способствуют накоплению друг друга в почвах.
Рисунок 3 - Зависимость между валовым содержанием ТМ: меди и свинца (А), цинка и меди (Б), свинца и цинка (В) в почвах селитебной зоны Архангельска
6.2. Трансформация соединений тяжелых металлов в почвах
В городских почвах в отличие от естественных изменяется не только степень подвижности ТМ, но и фракционно-групповой состав соединений этих металлов (таблица 6).
Основная часть РЬ (78-98%) как в природных, так и в городских почвах находится в прочно связанном состоянии, лишь только в дерновых почвах городских лугов этот показатель снижается до 58%, что подтверждает и высокий показатель его подвижности в этих почвах (Кп = 0,75). Наоборот, основная часть Си и Тп находится в почвах в непрочно связанном состоянии (Кп составляет 0,6-8,1 для и 0,9-3,2 для Си). Степень подвижности основных поллютантов в почвах природных и природно-антропогенных зон г. Архангельска уменьшается в ряду 2п > Си > РЬ. При увеличении техногенной нагрузки подвижность металлов в почвах изменяется - и РЬ уменьшается, а Си возрастает. Непрочно связанные соединения (подвижные формы) исследуемых металлов в природных почвах пригорода Архангельска представлены в основном специфически сорбированными формами (рисунок 4).
Наибольшее количество Си (> 48%) присутствует в них в малоподвижной специфически сорбированной форме. Это обусловлено тем, что при уровне валового содержания Си менее 20-30 мг/кг подвижность её крайне мала. Подобное распределение трансформационных форм в природных почвах характерно и для РЬ, близкого к Си по химическим свойствам. У Ъа. в отличие от Си и РЬ, доля специфически сорбированных форм в природных почвах колеблется от 37,5% в дерновых почвах до 71,0% в подзолистых, что может быть обусловлено как особенностями самого металла, так и различиями в физико-химических параметрах почв.
Распределение трансформационных форм ТМ в почвенном профиле природных почв относительно равномерное с некоторой фиксацией Ъх\ за счёт образования комплексных соединений с гумусовыми кислотами, а Си и РЬ - за счет специфической сорбции почв.
Таблица 6 - Формы соединений ТМ в почвах
Группа
Соединения металлов
Формы соединений, примеры
1. Обменные и водорастворимые
2. Специфически сорбированные на поверхности твердых фаз (карбонатах, аморфных оксидах и гидрокси-дах)
3. Комплексные соединения с органическими компонентами
РЬ'\ Си"', Ъхс'\ 2пОН\ гпСГ, гпНСОз', [2пСЦ\ [2п(ОН)3]\ [гпсц]2", гп(он)Лгпнсо3\ гпНР04, гпн2Р04+, [гп(н,Ро4),]2-; [Си(ОН)2СО,]2-; [СиОН]*; [СиНСОзГ, Си(НР04); [СиСЦ]2"; РЬС12; РЬОНГ, и др.
Специфически сорбированные на карбонатах Са и связанные с оксидами и гидроксидами Ре и Мп или адсорбированные на их поверхности, возможно образование РЬ(ОН)2; гп(ОН)2; Си(ОН)2; РЬз(СОз)2; гпС03;
(CO0HL щ
1
пс -
• ö— "
(COOK),
■ ПС
о
(СООЩ, 9 I С—Оч,
гк
<ОК>„ " с—о '
О (OK).
(COOK). О
f-(ÖK)„
с—о о
\ /
\ / м*
(COOK),
г
(OK).
0 (СООН),
1 ! -с -гк
(0н)3< (COOK),
-с — гк
I i О (OHL
1. Труднорастворимые соединения
2. Специфические органические соединения
3. Соединения, связанные с минералами А1, Ре и Мп
4. Соединения, прочно связанные силикатами (наследуются от материнской породы)
Zn3(P04)2; (Zn0H)2C03; CuS; Cu3(P04)2; ZnO; CuO; PbO; PbS; Cu2(0H)2C03; Pb3(P04)2; Pbs(P04)3Cl; Zn2Si204; гп5(ОН)<,(СОз)2; и др.
coo
•••.,. о
<coo),;M« (OH)—
<j>K
H
OOC Х£*Ч к.,
' (ОН).
н
ZnFe204, ZnAl204; гп3А1(ОН)8(СОз)о.: Pb[Fe3(S04)2(0H)6]2; CuFeS2; Cu5FeS4 и др. Zn2SiP3; Zn2Si204; Zn[AlSiQ4]; Zn2[Al2Si3Ol0] и др.
Si4(Zn3)Oio(OH)2:
Природни 0% 20% 4С % во % 80% 10 э%
1
А1
» 8 „и/,-
Си
- обменные;
РЪ
- комплексные^
гп
- специфически сорбированные
Рисунок 4 - Фракционно-групповой состав непрочно связанных соединений ТМ, %, в природных почвах пригорода Архангельска (фрагмент рисунка)
Техногенное загрязнение почв в условиях городской среды неоднозначно видоизменяет соотношение подвижных трансформационных форм исследованных ТМ в составе непрочно связанных соединений (рисунок 5). Так, увеличение валового содержания Си в почвах сопровождается повышением доли обменных форм. При максимальном валовом содержании Си (> 40,0 мг/кг), доля обменных форм крайне низка (по всему профилю не превышает 4,0%) независимо от типа почв. В этом случае Си в большей степени находится в специфически сорбированном состоянии, что обусловлено прочным связыванием её с ППК. Подвижность Си повышается в торфяных почвах (городские леса), из-за низкого содержания в почвах физической глины и как следствие отсутствия поглощения данного металла ППК и слабой сорбции ТМ органическим веществом торфа.
Для РЬ характерно аналогичное распределение трансформационных форм, однако подвижность его в городских почвах в отличие от Си уменьшается. Это обусловлено тем, что при значительном увеличении валового содержания РЬ (до 165,0 мг/кг) суммарное содержание непрочно связанных соединений увеличивается незначительно (< 4,0 мг/кг) по сравнению с фоновой территорией (< 1,0 мг/кг).
Увеличение валового содержания 2п в почвах сопровождается уменьшением доли непрочно связанных соединений несмотря на то, что содержание в них обменных форм довольно высоко (22,4-60,2 %).
С глубиной содержание обменных форм ТМ в городских почвах уменьшается и происходит их фиксация как за счёт образования комплексных соединений с органическим веществом, так и за счёт сорбции их на оксидах и гидроксидах Бе, А1, Мп.
7.П _
I 1 - обменныеЕЕЭ - комплексные; I I - специфически сорбированные
Рисунок 5 - Фракционно-групповой состав непрочно связанных соединений ТМ, %, в почвах г. Архангельска (фрагмент рисунка)
Увеличение доли обменных форм ТМ приводит к увеличению их подвижности в почве. Начинается активная миграция ТМ в грунтовые воды, транслокация их в растения и почвенную биоту (Коновалова и др., 2013). При этом наиболее вероятным механизмом трансформации и транслокации ТМ в системе почва-растение является механизм, представленный следующей схемой (рисунок 6).
Загрязнение тяжелыми металла-\и
Азрптехипгентгое
Растительный животный ппал
-и
л
Нерастворимые соединения (МеО) | +Н+
Ионы {Ме2^}
Ионы (МР2'}
Твердая фаза почвы
Прочна связанные сойдшшшя металлов
Непрочно связанные соединения металлов
Труднорастворимые соединении ТМ
Сов дине нии, прочно сыиюниые сшшкатшои
Адсврйцквнше комплексы с ортамхческюш
Соединеюш, > минералами АЗ, Ре и Мп
ЬбмСНКЫВ (ШЛШобмЕНШЛ
соединения в составе
_____ппю__________
-Е
Специфически сорвнро! охни: к |'Я||йпилил, актгюхк мг
Жфжска*.« Мп, А1
Поверх могткъхе ко »тле косые сведшеюся: с ар г акхче с к кэш
КО МПО НР ИТЯ мк
Почвенный раствор
Ионы (Мв2*)
Б йота £__
' Почвенные
I Растения |
Корень
Кора | I Ветви .....) ! ^^^ |
Рисунок 6 - Схема трансформации и транслокации ТМ в системе почва-растение
Фракционно-групповой состав, позволяющий выделить непрочно и прочно связанные соединения металлов (2л\ и Си), в типичных почвах техногенно-антропогенных зон города (рисунок 7) определяли, согласно комбинированной схеме фракционирования (Минкина и др., 2009).
Закрепление Ъъ в почвах фоновой территории происходит за счет образования легко обменных форм, связанных с органическим веществом (преимущественно с фульвокислотами), трудно обменных форм с соединениями Бе. Большая часть Тп находится в обменной форме, которая представлена подвижными трудно обменными соединениями с гумусовыми кислотами. С кальцием и алюминием Ъь образует подвижные соединения в виде легко обменных форм; возможно, происходит непрочное закрепление на поверхности алюмосиликатов. При техногенном загрязнении доля обменных форм либо уменьшается (селитебная зона), либо увеличивается (промышленная зона) в зависимости от гранулометрического состава почвы. Содержание форм 2п, связанных с несиликатными соединениями Ре, Мп и А1, уменьшается, но увеличивается доля специфически сорбированных форм и форм Хп, связанных с органическим веществом почвы.
Накопление Си в природной дерновой почве происходит в виде легко обменных форм Си с соединениями Мп и Са, трудно обменных с соединениями Ре и А1. В образовании подвижных форм Си, мигрирующих в сопредельные среды участвуют соединения Мп, Ре и Са, а также органическое вещество почвы. При техногенном загрязнении в почвах появляются специфически сорбированные на карбонатах формы Си, практически отсутствующие в природной почве, увеличивается доля обменных и сокращается доля остаточных форм. Накопление металла в городских почвах происходит за счет легко и трудно обменных форм меди с гумусовыми кислотами, соединениями Са, Ре, Мп и А1. Глинистые минералы и гумусовые кислоты участвуют в образовании подвижных форм меди, мигрирующих в сопредельные среды, наряду с соединениями Са, Ре, Мп и А1.
С увеличением валового содержания ТМ в поверхностном слое городских почв (рисунок 8) происходит пропорциональное увеличение содержания всех трансформационных форм (коэффициент корреляции г до 0,96), при этом резко уменьшается доля самых подвижных обменных форм ТМ, доступных для растений (г до -0,76). Эти изменения начинаются с валового содержания меди в 1,0 ПДК, а цинка - в 1,5 ПДК (таблица 7).
Природная дерновая почва Селитебная зона (урбанозем) Промы шленная зона (урбанозем)
I I
Ас) ^.....................I'......1 " иПз2 к I ■■ Ас)
_I I I
А1 ■ 1 щн ица2 | » иа И I I
I I ! I
В К 1 □иаЗ |К»:М| | ■ ип I I I
0% 2С % 40% 6С % 80% 10 0% 20% 40% 60% ео% ю 0% 0 /о 20% 40% 60% 80% 10 0%
Природная дерновая почва
0% 20% 40%
80% 100%
Ъх\
Селитебная зона (урбанозем)
0% 20% 40%
80% 100%
Промы шленная зона (урбанозем)
1
1 1
I 11 1 1
1
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Си
Ш обменные
Ш специфически сорбированные
О формы, связанные с несиликатными соединениями Ре. Мп,А1 □ формы, связанные с органическим веществом Ш остаточные формы
Рисунок 7 - Фракционный состав соединений ТМ, %, в почвах пригорода и техногенно-антропогенных зон г. Архангельска
ш остаточная фракция
шТМ, прочно связанные с органическим веществом шТМ, непрочно связанные с органическим веществом
□ ТМ, прочно связанные с неселикатными соединениями Ре, Мп, А1
□ ТМ, непрочно связанные с неселикатными соединениями Ре, Мп, А1
□ ТМ, непрочно связанные с карбонатами штрудно обменные соединения ЕШлегко обменные соединения
Рисунок 8 - Изменение фракционного состава соединений ТМ, %, при увеличении их валового содержания в поверхностном слое почв г. Архангельска
Таблица 7 - Зависимость между валовым содержанием ТМ в поверхностном слое почв г. Архангельска и фракционным составом их соединений ___
Коэффициенты корреляции г (взаимосвязь валового содержания и фракционного состава соединений ТМ в почве)
Фракционный состав соединений ТМ Соединени менной фо я ТМ в об-рме ТМ, непрочно связанные с карбонатами (специфически сорбированные) ТМ, связанные с несиликатными соединениями Ре, Мп, А1 ТМ, связанные с органическим веществом Остаточная фракция ТМ
легко обменные трудно обменные непрочно связанные прочно связанные непрочно связанные прочно связанные
ЦИНК
мг/кг 0,73 0,66 0,89 0,43 0,80 0,70 0,96 0,92
% от валового содержания -0,58 -0,50 0,54 -0,77 -0,76 -0,44 0,77 0,68
МЕДЬ
мг/кг -0,51 0,76 -0,17 0,96 -0,16 0,91 0,79 0,71
% от валового содержания -0,76 -0,68 -0,81 0,70 -0,93 0,72 -0,27 0,34
Глава 7. Экологическое нормирование качества урбоэкосистемы Архангельска
7.1. Прогнозирование загрязнения тяжелыми металлами компонентов почвен-но-растительного покрова
Используя методы математического моделирования, дана комплексная оценка потенциального экологического состояния урбоэкосистемы промышленного города, оценена вероятность загрязнения ТМ отдельных ее компонентов. Установлено, что существующие в настоящее время ряды загрязнения почв (таблица 8) и разнотравья (таблица 9) ТМ и прогнозируемые ряды неоднозначны.
Таблица 8 - Прогнозирование изменения рядов ТМ, загрязняющих почвенный покров основных функциональных зон г. Архангельска__
Зоны города Существующий в настоящее время ряд загрязнения почв ТМ (по Кк) Прогнозируемый ряд загрязнения почв ТМ (по Р„)
Техногенно-антропогенные зоны
Селитебная Ре<Си<Мп<Со<№<РЬ<2п РЬ<2п<Мп<Си<Ре<Со<№
Промышленная Мп<Ре<Со<№<Си<РЬ<гп №<Си<Мп<Со<РЬ<гп<Ре
Природно-антропогенные зоны
Городские луга Мп<Ре=Си<Со<№<гп<РЬ Ре<№<гп<Мп<Со<Си<РЬ
Городские леса Мп<Со<№=Си<гп<РЬ<Ре 2п<Со<№<РЬ<Мп<Си<Ре
Таблица 9 - Прогнозирование изменения рядов ТМ, загрязняющих растительный покров ос новных функциональных зон г. Архангельска
Зоны города Существующий в настоящее время ряд загрязнения трав ТМ (по Кк) Прогнозируемый ряд загрязнения трав ТМ (по Р„)
Техногенно-антропогенные зоны
Селитебная Мп<гп<Ре<Си<РЬ<№«Со РЬ<Ре<Мп<2п=№<Си<Со
Промышленная 2п<Мп<Ре<РЬкСо<№<Си РЬ<Ре<№<Мп<Со<гп<Си
Природно-антропогенные зоны
Городские луга 2п<РЬ<Си<Мп«№<Со<Ре Ре<РЬ<Мп<№<7п<Си<Со
Городские леса Си<Мп<РЬ<гп<№<Ре<Со Ре<РЬ<Си<Мп<№<гп<Со
Вследствие различий в миграционной способности ТМ вероятности загрязнения отдельных компонентов почвенно-растительных систем различных почв основных функциональных зон г. Архангельска неодинаковы.
Наиболее опасными для почвенно-растительных систем селитебной зоны являются Со (урбаноземы) и РЬ (реплантоземы), промышленной зоны - N1 (урбанозе-мы) и РЬ (реплантоземы), дерновых почв городских лугов - Ре, а торфяных почв городских лесов - РЬ и Мп (таблица 10).
В сложившейся ситуации (при сохраняющемся уровне загрязнения окружающей среды) прогнозируется дальнейшее загрязнение почвенно-растительного покрова практически всех функциональных зон урбоэкосистемы Архангельска ТМ за счет их валового содержания в почвах, вследствие трансформации малоподвижных форм в подвижные при изменении физико-химических свойств почвы, в первую очередь рН.
Все это говорит о необходимости оперативного контроля загрязнения почв и организации системы мониторирования основных компонентов урбоэкосистемы города.
Таблица 10 - Ряды опасности загрязнения ТМ почвенно-растительных систем основных функциональных зон г. Архангельска (по интегральному показателю миграционной способности)_
Зоны города Ряды ТМ Почвы города Ряды ТМ
Техногенно-антропогенные зоны
Селитебная Урбаноземы Си<Мп<7п<РЬ<№<Ре«Со
Си<2п<Мп<№<РЬ<Ре«Со Реплантоземы Ре<№<Си<гп<Мп<Со<РЬ
Промышленная Урбаноземы 2п<Ре<Мп<Си<Со<РЬ<№
гп<Ге<Мп<Со<Си<РЬ<№ Реплантоземы Ре<гп<Со<Мп<№<Си<РЬ
Природно-антропогенные зоны
Городские луга Си<Мп<№<2п<РЬ<Со«Ре Дерновые Си<Со<гп<Мп<№<РЬ«Ре
Городские леса Си<№<Со<Ре<гп<Мп<РЬ Торфяные №<Си<Со<7п<Ре<Мп<РЬ
7.2. Биогеохимическое обоснование нормирования тяжелых металлов в почвах Архангельска
На основе данных многолетних исследований биогеохимического состояния растительного покрова прослежено лимитирующее влияние ТМ в системе «почва-растение» (на примере основных техногенных поллютантов РЬ, Ъп и Си) одного из самых северных городов России - Архангельска, по своим природно-климатическим характеристикам приравненного по местоположению к условиям Крайнего Севера.
Ключевыми точками сравнения были приняты концентрации ТМ в почве, приводящие к снижению их накопления (транслокации) в растениях, превышению в их тканях ПДК и МДУ, а также эффект средней фитотоксичности почв на применяемый тест-объект (кресс-салат).
Ниже приведено методическое обоснование подходов к установлению критических значений на примере РЬ.
Замечено снижение аккумуляции РЬ надземной частью разнотравья при валовом содержании его в почве 95 мг/кг (3 ПДКВС) и содержании подвижных форм в количестве 2,0-2,5 мг/кг (0,7-0,8 ПДКп®) (рисунок 9). Это обусловлено как проявлением выработанных в процессе эволюции приспособительных механизмов устойчивости, в том числе задержкой поглощения ТМ корнями, так и сокращением доли самых подвижных легко обменных соединений (наиболее доступных для растений) при резком увеличении валового содержания ТМ в почвах.
Установлена достоверная обратная связь между фитотоксичностью и содержанием в почвах РЬ (рисунок 10). При этом его концентрация в почве, приводящая к средней степени фитотоксичности (30%) составила для валового содержания 70 мг/кг, что в 2,2 раз выше ПДКВс; а для содержания подвижных форм - 0,9 мг/кг, что в 6,7 раз ниже ПДКп®. Фитотоксическое воздействие валового содержания свинца начинает сказываться при содержании его в почве более 1 ПДК, достигая верхних значений с 2-х ПДК, тогда как фитотоксическое действие ПФ свинца сказывается уже при содержании ТМ менее 1 ПДК (6,0 мг/кг).
А Б
Рисунок 9 - Зависимость между накоплением свинца в надземной части разнотравья и его содержанием в почвах техногенно-антропогенных зон г. Архангельска (А - валовое содержание; Б - содержание подвижных форм)
Почву можно считать экологически чистой (фитотоксичность водной вытяжки < 10%) только при содержании ПФ свинца в почве до 0,3 мг/кг (вытяжка 1,0 N Н>Юз). При содержании ПФ свинца в почве 0,9-2,6 мг/кг фитотоксичность почвы максимальная для почв Архангельска (средняя, > 30 %). Обращает внимание (рисунок 10) выраженное снижение фитотоксичности почв с увеличением в них валового содержания и подвижных форм свинца.
А Б
Рисунок 10 - Зависимость между фитотоксичностью почв г. Архангельска и содержанием в них свинца (А-валовое содержание; Б - содержание подвижных форм).
Подобное явление связано с формами нахождения и растворимостью РЬ в почвах. В первую очередь с долей водорастворимых соединений в составе непрочно связанных, переходящих в водную вытяжку почвы, применяемую при тестировании на фитотоксичность. Доля их в целом крайне низка (не более 8%), причем с увеличением валового содержания РЬ, увеличивается незначительно, в первую очередь за счет сокращения обменных форм свинца вследствие его закрепления в ППК.
Аналогичные закономерности установлены и для других ТМ, изученных нами в почвах Архангельска.
При полиэлементном загрязнении тяжелые металлы в почвах оказывают взаимное влияние на накопление, поэтому фитотоксичность почв обусловлена содержанием не отдельных поллютантов, а суммарным загрязнением почв ТМ (рисунок 11), выраженным через коэффициент Саета (гс).
А Б
Рисунок 11 — Зависимость между фитотоксичностью почв г. Архангельска и степенью загрязнения (2С) их ТМ (А - по валовому содержанию; Б - по содержанию подвижных форм ТМ)
Так, средняя степень фитотоксичности (30%) почв Архангельска проявляется при сильной степени (2С > 32) их загрязнения ТМ (по валовому содержанию). Тогда как уже слабая степень загрязнения подвижными формами ТМ (Хс > 12) вызывает среднюю ответную реакцию тест-объекта на фитотоксичность.
На основании регрессионного анализа и сравнения с нормативными показателями, принятыми в России, разработаны критерии регионального нормирования для условий Севера. Установлены концентрации валового содержания и содержания подвижных форм ТМ, влияющие на экологическое состояние разнотравья и фитотоксичность почв, определена усредненная лимитирующая концентрация (валовое содержание и подвижные формы) основных ТМ, являющихся загрязнителями почв Архангельска (таблица 11).
7.3. Нормирование качества городских почв Архангельска
В основу определения нормативных значений показателей качества почв положены экспертная оценка собственных научно-исследовательских данных по почвам разных функциональных зон г. Архангельска, а также нормативно-методические, литературные и фоновые материалы.
Среди общего перечня физических, физико-химических, химических и биологических свойств почв, используемых при экологическом нормировании, нами обоснованы и выбраны следующие: проективное покрытие участка травами, захламленность поверхности нетоксичными отходами, мощность прогумусированной толщи, гранулометрический состав, плотность сложения, общая скважность и скважность аэрации, величина рН, емкость катионного обмена, степень насыщенности почв основаниями, содержание химических элементов, фитотоксичность.
Среди химических элементов выбраны биофильные элементы первостепенной значимости - минеральный азот (N1), подвижные фосфор (Р2О5) и калий (К20) (Методические указания.., 1985; Минеев, 1990; ФЗ, 2002, ст. 1).
Таблица 11 - Содержание ТМ в почвах г. Архангельска, мг/кг
Химический элемент Минимальное валовое содержание ТМ ФОН по Архангельской области Среднее содержание ТМ в почвах Архангельска Концентрация ТМ в почвах (слой 0-20 см.) г. Архангельска, приводящая к Усредненная лимитирующая концентрация ТМ в почвах Архангельска
Суглинистые почвы, рН>5,5 Песчаные и супесчаные почвы снижению транслокации ТМ в растения превышению ПДК ТМ в растениях превышению МДУ ТМ в растениях средней (30%) фитотоксично-сти почвенной вытяжки
Валовое содержание
РЬ 8 2 3 78 95 не уст. не уст. 70 70
Ъл 30 10 35 95 320 > 150 >50 150 50
кг 3,5 0,5 0,5 2,7 н/д н/д н/д 2,0 2,0
н/д н/д <0,1 0,54 н/д н/д н/д 0,5 0,5
Си 8 2 8 22 47 >27 не уст. не уст. 27
№ 12 5 15 27 25 не уст. > 13 н/д 13
Мп 250 250 399 650 500 н/д н/д н/д 500
Подвижные формы
РЬ н/д 0,3 1,4 2,5 не уст. не уст. 0,9 0,9
Тп 5,0 3,3 24 50 > 15 >5 30 5,0
Си 0,5 1,3 2,8 5,2 >2,0 не уст. 2,0 2,0
Со 0,3 0,4 1,1 1,4 не уст. >0,3 0,9 0,3
N1 н/д 0,3 1,1 1,7 не уст. > 1,2 1,3 1,2
Мп 25 65 134 190 н/д н/д 100 100
Ре н/д 310 429 850 н/д > 150 350 150
н/д - нет данных; не уст. - концентрация не установлена
Для городов Архангельской промышленной агломерации, в отличие от системы показателей экологического состояния почв, разработанной А.С. Яковлевым с соавторами (Управление..., 2010) для г. Москвы, было принято решение отказаться от разделения показателей нормирования по отдельным типам территорий разного функционального назначения, выделяемых в соответствии с Федеральным законом (2004). Это обусловлено тем, что города Архангельской промышленной агломерации занимают значительно меньшие территории по сравнению с Москвой, возраст их функциональных зон невелик (самая старая - селитебная зона Архангельска насчитывает чуть более 400 лет), а в пределах города они располагаются мозаично, перемежаясь в рамках городской черты.
Выявленные нами негативные проявления антропогенного воздействия на почву, приводящие к изменению их экологических функций, включают в себя как широко известные проявления, характерные для любого промышленного города (Управление..., 2010), так и специфические, присущие только нашему региону. Это обусловлено тем, что условия почвообразования в городах Архангельской промышленной агломерации значительно отличаются от зональных.
Территории городов перепрофилированы — районы бывших болот озерно-ледниковой равнины при застройке были засыпаны песком. В качестве почвообразу-ющих пород выступают культурный слой и насыпные пески, локально - естественные почвы, измененные влиянием города. Для создания газонов часто используют торф верховых и переходных болот.
Глава 8. Управление качеством почв г. Архангельска
С целью организации мониторирования почвенного покрова г. Архангельска выполнено эколого-геохимическое картографическое зонирование территории селитебной зоны города с применением ГИС Maplnfo Professional 11.0. Составлены серии тематических карт: степени обеспеченности почв БЭ и загрязненности их ТМ; прогноза вероятностей повышенного содержания БЭ, превышения ПДК (ОДК) или фона ТМ; экологического зонирования по суммарному показателю техногенного загрязнения (Zc); взаимосвязи эколого-химических показателей (агрохимических показателей почв и обеспеченности их БЭ; агрохимических показателей почв и загрязненности их ТМ; обеспеченности почв БЭ и загрязненности их.
При мониторинговых исследованиях для оценки степени загрязнения почв ТМ наряду с определением валового содержания металлов и содержаниях их подвижных форм, следует периодически оценивать соотношение прочно и непрочно связанных с почвенными компонентами соединений ТМ и долю легкообменных форм в фракционном составе соединений ТМ.
Определены задачи мониторинга городских почв г. Архангельска, составлена методика обследования городских почв и даны рекомендации по управлению их качеством.
ИТОГИ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ
В целом, для города Архангельска характерно полиметаллическое загрязнение почвенного покрова. Согласно суммарному показателю загрязнения Zc культуроземы селитебной зоны испытывают опасную степень загрязнения почв ТМ по их валовому содержанию, а почвы других зон города - умеренно опасную степень загрязнения. В почвах техногенно-антропогенных зон города основным поллютантом является РЬ (превышение до 32 ПДК), в почвах природно-антропогенных зон города в большей степени аккумулируется As (превышение до 5 ПДК). По подвижным формам ТМ
почвы всех функциональных зон города испытывают умеренно опасную степень загрязнения. Наиболее опасными загрязнителями городских почв являются подвижные формы РЬ и '¿п, а также Бе (для зоны городских лесов). Загрязнение ТМ имеет гуму-сово-аккумулятивный характер.
Си, Хп и РЬ, а также Со (селитебная зона) — основные загрязнителями растений техногенно-антропогенных зон Архангельска, а Со и № (разнотравье), РЬ, Мп, Со и Хп (древесно-кустарниковые породы) - природно-антропогенных зон. В условиях высокой техногенной нагрузки существенно увеличивается депонирующая роль корня у разнотравья по отношению к РЬ, Мп и N1, у древесно-кустарниковых пород - к РЬ, Мп, Бе, Со и №. Более 30% ТМ (Хп, Си, РЬ) входит в состав пылевых частиц, осевших и сорбированных на поверхности листьев.
На накопление РЬ, Хп и Си в почвах оказывают совместное влияние содержание органического вещества и рН почвенного раствора. При избыточном содержании элементов питания в почвах накопление ТМ снижается при уровне обеспеченности почв фосфат-ионами в количестве 500-900 мг/кг, ионами калия - 450-600 мг/кг, нитрат-ионами — 70-100 мг/кг. Тяжелые металлы РЬ, Zn и Си, Мп и № положительно влияют на накопление друг друга. Установлено, что снижение накопления ТМ растениями начинается при валовом содержании в почве: РЬ - более 100 мг/кг, Хп - 270320 мг/кг, Си - 43-47 мг/кг, № - 23-28 мг/кг, Мп - 500-600 мг/кг и при содержании подвижных форм: Хп - 45-50 мг/кг, РЬ - 2,0-2,5 мг/кг, Си - 4,2-5,2 мг/кг, № - 1,5-1,6 мг/кг, Со - 1,3-1,5 мг/кг, Мп - 170-200 мг/кг, Бе - 750-850 мг/кг.
Техногенная нагрузка изменяет агрохимические показатели почв города: происходит подщелачивание почв (увеличивается рН) и накопление фульвокислот, возрастают степень насыщенности основаниями и сумма поглощенных оснований, наблюдаются значительные колебания величин емкости катионного обмена.
Количество и соотношение биофильных элементов зависит от типа почвы и функциональной зоны, преобладающей растительности, антропогенного воздействия. Все типы почв селитебной зоны и торфяные почвы городских лесов «зафосфачены» при недостатке калия (К20), почвы городских лугов и промышленной зоны, наоборот, испытывают избыток калия (К20) и недостаток фосфора (Р205). Во всех типах почв промышленной зоны отмечается недостаток содержания неорганического азота (М03~ + ЫН4+). Техногенная нагрузка (применение противогололедных смесей) на городские почвы приводит к увеличению доли токсичных для растений ионов (Ъ1а+, СГ, 8042"). Содержание элементов питания в почве влияет на накопление ТМ в растениях. Снижение накопления ТМ в растениях начинается при содержании в почве азота (Ы03~) в концентрации 40-80 мг/кг, фосфора (Р205) - 75-120 мг/кг, калия (К20) - 110-150 мг/кг.
На интенсивность поглощения ЭП растениями в первую очередь влияют условия их местообитания. Активная аккумуляция фосфора растениями происходит в промышленной зоне, азота - на торфяных почвах городских лесов, а калия - в селитебной зоне и на дерновых почвах городских лугов. Накопление элементов питания различными видами растений убывает в ряду: береза > тополь > разнотравье > ива. При оптимальном содержании элементы питания распределяются по отдельным органам равномерно. При избыточном содержании фосфор депонируется в надземной части разнотравья и в корнях древесных пород, калий - в корнях растений, а нитратный азот в их наземной части.
Основная часть РЬ в городских почвах находится в прочно связанном состоянии, а Си и Хп, наоборот, в непрочно связанном состоянии, в виде специфически сор-
бированных форм. Степень подвижности основных поллютантов в природных почвах уменьшается в ряду Хп > Си > РЬ. В городских почвах подвижность Тх\ и РЬ уменьшается, а Си возрастает, за счет изменения доли обменных форм в фракционно-групповом составе соединений ТМ.
На формы и характер закрепления тяжелых металлов в почве оказывают влияние время и степень техногенной нагрузки, тип почвы и их физико-химические особенности. Закрепление Хп происходит в основном за счёт связывания с органическим веществом, а Си - в равной степени как с органическим веществом, так и с несиликатными соединениями Ре, Мп, А1.
Вероятностное математическое моделирование процессов взаимодействия компонентов системы почва-растение показало неоднозначность существующих в настоящее время и прогнозируемых рядов ТМ. В настоящее время основными поллю-тантами почвенного покрова выступают Zn и РЬ, а растительного — Со. При сохраняющемся уровне загрязнения окружающей среды прогнозируется дальнейшее загрязнение почвенно-растительных систем селитебной зоны Со (урбаноземы) и РЬ (ре-плантоземы), промышленной зоны - N1 (урбаноземы) и РЬ (реплантоземы), дерновых почв городских лугов - Ре, а торфяных почв городских лесов - РЬ и Мп.
Комплексный биогеохимический подход в системе «почва-растение» позволил установить закономерности воздействия загрязнения почв на содержание ТМ в растениях.
На основании результатов проведенного эколого-химического анализа состояния урбоэкосистемы г. Архангельска были разработаны:
^ система критериев (нормативов) оценки качества почвенного покрова, основанная на нормативных документах и экспертной оценке собственных научно-исследовательских данных, с учетом природных особенностей региона, которая должна стать основой для управления качеством городской среды;
шкала экологического нормирования подвижных форм фосфора, позволяющая оценить степень антропогенного зафосфачивания почв.
Выполнено биогеохимическое обоснование и предложена система экологического нормирования ТМ в городских почвах. Она включает валовое содержание и содержание подвижных форм ТМ, влияющее на экологическое состояние разнотравья и фитотоксичность почв, усредненные лимитирующие концентрации (ВС и ПФ) основных ТМ, и может применяться в качестве критериев, предопределяющих контроль при совместном мониторинге: выбросы - воздух - почва, воды - растительность, почвенная биота в городах Архангельской промышленной агломерации и сопредельных территорий. Дано научное обоснование создания единой комплексной централизованной системы управления качеством почв, организации мониторинга за состоянием урбоэкосистем и предложения по пересмотру ряда градостроительных технологий, применяемых в настоящее время.
Составлена методика обследования городских почв, являющаяся основой организации почвенно-химического мониторинга, необходимого для оперативной оценки экологического состояния почвенно-растительного покрова, прогноза изменений урбоэкосистем, разработки мероприятий по снижению токсико-экологических последствий загрязнения почв ТМ в условиях Крайнего Севера.
Список основных работ, опубликованных автором по теме диссертации:
Монографии:
1. Наквасина, Е.Н. Почвы Архангельска. Структурно-функциональные особенности, свойства, экологическая оценка: монография./ Е.Н. Наквасина, Ю.М. Пермогор-ская, Л.Ф. Попова - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2006. - 124 с.
2. Наквасина, Е.Н. Биогеохимическая индикация экологического состояния почвен-но-растительного покрова центральной части г. Архангельска: монография / Е.Н. Наквасина, Л.Ф. Попова. Т.А. Корельская, Ю.М. Никонова.. - Архангельск: АГТУ, 2009. - 244 с.
3. Никитина, Мария. Макро- и микроэлементы в почвах Архангельска: монография / Мария Никитина, Людмила Попова. - Германия. LAP LAMBERT Academic Publishing. 2012. - 140 c.
4. Попова, Л.Ф. Химические элементы в почвенно-растительном покрове Архангельска: монография / Л.Ф. Попова. М.В. Никитина, Е.Н. Наквасина - Архангельск: Изд-во САФУ, 2013. - 146 с.
5. Попова, Л.Ф. Химическое загрязнение урбоэкосистемы Архангельска [Электронный ресурс]: монография / Л.Ф. Попова - Архангельск, 2014. - 231 с. - URL: http://narfu.ru/university/library/books/1084.pdf
6. Попова, Л.Ф. Нормирование качества городских почв и организация почвенно-химического мониторинга [Электронный ресурс]: учебное пособие / Л.Ф. Попова. Е.Н. Наквасина - Архангельск, 2014. - 108 с. - URL: http://narfu.ru/university/library/books/1083.pdf
Научные статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации для публикации результатов диссертационных исследований:
7. Наквасина, Е.Н. Состояние, свойства и функциональные особенности различных типов городских почв Архангельска / Е.Н. Наквасина, Л.Ф. Попова // Вестник Поморского университета. Серия естественные и точные науки. - 2002. - № 3. -С. 11-16.
8. Попова, Л.Ф. Экологическое состояние почв (почвогрунтов) города Архангельска / Л.Ф. Попова // Экологические системы и приборы. - 2003. - № 9. - С. 23-28.
9. Попова, Л.Ф. Почва как индикатор техногенного загрязнения городской среды / Л.Ф. Попова. Ю.М. Пермогорская // Вестник Поморского университета. Серия «Естественные и точные науки». - 2004. - № 1(5). - С. 25-35.
Ю.Попова, Л.Ф. Роль почвы в накоплении тяжелых металлов и элементов питания растениями в условиях промышленного города / Л.Ф. Попова. Т.А. Корельская // Вестник Поморского университета. Серия «Естественные и точные науки». -2005. - № 2 (8). - С. 48-55.
П.Попова, Л.Ф. Использование биогеохимических критериев в комплексной оценке экологической ситуации промышленного города на примере Архангельска / Л.Ф. Попова. М.В. Пилюгина, Т.Г. Денисова, О.А. Сидорова // Экология и промышленность России - 2009. - № 8. - С. 44-47.
12. Попова, Л.Ф. Трансформация подвижных форм цинка в почвах г. Архангельска / Л.Ф. Попова. О.Н. Репницына, М.В. Никитина. // Вестник Поморского университета. Серия «Естественные и точные науки». - 2010. - № 4. - С. 65-71.
13. Попова, Л.Ф.. Экологическое состояние почвенно-растительного покрова природных ландшафтов г. Архангельска / Л.Ф. Попова. М.В. Никитина, Е.Н. Наквасина.
// Вестник Поморского университета. Серия «Естественные и точные науки». -
2011,- № 1.-С. 71-77.
14. Никитина, М.В. Трансформация подвижных форм металлов в почвах городских ландшафтов / М.В. Никитина, Л.Ф. Попова // Вестник Московского государственного областного университета. Серия «Естественные и точные науки». - 2011. -№ 3. - С. 122-126.
15.Корельская, Т.А. Особенности накопления и миграции биофильных элементов в почвах селитебного ландшафта г. Архангельска / Т.А. Корельская, Л.Ф. Попова. E.H. Наквасина. // Вестник Поморского университета. Серия «Естественные и точные науки». - 2011. - № 4. - С. 11-19.
16. Михайлова, A.A.. Влияние автотранспорта на загрязнение урбоэкосистемы Архангельска. / A.A. Михайлова, Л.Ф. Попова // Экология урбанизированных территорий. - 2011. - № 1. - С. 47-52.
П.Никитина, М.В. Трансформация подвижных форм цинка и меди в почвах природных и промышленных ландшафтов г. Архангельска / М.В. Никитина, Л.Ф. Попова, О.Н. Репницына // Вестник Московского государственного областного университета. Серия «Естественные и точные науки». - 2012. - № 4. - С. 123-127.
18. Евдокимова, В.П. Особенности накопления железа и марганца почвами городов Архангельской промышленной агломерации / В.П. Евдокимова, Л.Ф. Попова. В.В. Тюлева, И.Н. Бечина, Т.В. Усачева // Вестник Московского государственного областного университета. Серия «Естественные и точные науки». — 2012. - № 4. — С. 99-104.
19. Попова, Л.Ф. Эколого-аналитическая оценка загрязнения тяжелыми металлами почвенного покрова городов Архангельской промышленной агломерации / Л.Ф. Попова, К. С. Васюк, А. И. Васильева, О.Н. Репницына, И.Н. Бечина, Т. В. Усачева. // Фундаментальные исследования. - 2012. - № 11(3). - С. 731-734.
20. Попова, Л.Ф. Эколого-аналитическая оценка обеспеченности почв города Архангельска элементами питания растений [Текст] / Л.Ф. Попова. А. И. Васильева, О. П. Ефремова // Фундаментальные исследования. - 2012. - № 11 (4). - С. 965-969.
21. Попова, Л.Ф. Экологическое нормирование качества почв Архангельской промышленной агломерации / Л.Ф. Попова, E.H. Наквасина. // Вестник Северного (Арктического) федерального университета. Серия «Естественные науки». - 2012. -№3.-С. 35-41.
22. Попова, Л.Ф. Экологическое нормирование содержания тяжелых металлов в почвах Архангельской промышленной агломерации / Л.Ф. Попова. // Вестник Северного (Арктического) федерального университета. Серия «Естественные науки». -
2012. - № 3. - С. 42-47.
23. Корельская, Т.А. Пространственно-временная динамика содержания органического вещества в почвах урбанизированных ландшафтов г. Архангельска / Т.А. Корельская, Л.Ф. Попова. // Вестник Северного (Арктического) федерального университета. Серия «Естественные науки». — 2012. — № 4. — С. 108-115.
24. Попова, Л.Ф. Интенсивность накопления и перераспределения тяжелых металлов в компонентах почвенно-растительного покрова различных функциональных зон г. Архангельска / Л.Ф. Попова, E.H. Наквасина // Экология и промышленность России, - 2013.-Январь. -С. 47-51.
25. Попова, Л.Ф. Биогеохимическое обоснование нормирования тяжелых металлов в почвах Архангельска. / Л.Ф. Попова. E.H. Наквасина // Экология и промышленность России, - 2014. - Июль. - С. 39-43.
26. Попова, Л.Ф. Оценка загрязнения тяжелыми металлами типичных почв Архангельска. / ЛФ;_Попова // Фундаментальные исследования, - 2014. - №8(4).-С. 849-853.
27. Попова, Л.Ф. Кумуляция, миграция и трансформация фосфора в почвах города Архангельска. / Л.Ф. Попова. М. В. Никитина // Фундаментальные исследования, - 2014,- №9,- С. 70-74.
28. Попова, Л.Ф. Трансформация соединений тяжелых металлов в почвах Архангельска. / Л.Ф. Попова // Фундаментальные исследования, - 2014. - № 9 (3). - С. 562-566.
Статьи, тезисы докладов и материалы научных конференций, опубликованные
в иных изданиях, всего 85, в том числе:
29. Наквасина, E.H. Формирование и функционирование природного комплекса ур-боландшафтов в условиях Европейского Севера. / E.H. Наквасина, Е.В. Шаврина, П.А.Феклистов, А.Е. Баталов, Л.Ф. Попова. О.Ю.Калинина, Б.Ю.Филиппов, Г.А.Кононюк, H.H. Асоскова, Е.В. Кочерина, Ю.М. Пермогорская // Успехи современного естествознания. - 2004. - № 4. - С. 148.
30. Карпов, Д.С. Кумуляция, миграция и трансформация свинца в почвах г. Архангельска. / Д.С. Карпов, Л.Ф. Попова // Экологические проблемы Севера. Межвузовский сборник научных трудов. Архангельск: СОЛТИ, 2004. Вып. 7. С. 174-177.
31. Попова, Л.Ф. Особенности накопления тяжелых металлов почвами и растениями в условиях промышленного города / Л.Ф. Попова // Фундаментальные исследования. - 2005. - № 10. - С. 88-89.
32. Корельская, Т.А. Особенности накопления биофильных элементов растениями на различных типах почв Архангельска. / Т.А. Корельская, Л.Ф. Попова. E.H. Наквасина. // Мониторинг окружающей среды. (Материалы V межд. конф. 8-15 сентября 2007, Римини, Италия). Фундаментальные исследования. - 2007, - № 11. — С. 45-47.
33. Попова, Л.Ф. Тяжелые металлы в почвах промышленного и селитебного ландшафтов города Архангельска / Л.Ф. Попова. М.В. Пилюгина, Т.А. Корельская // Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники. (Материалы научн. конф.). Современные наукоемкие технологии. -
2008. - № 5. - С. 69-70.
34. Попова, Л.Ф. Особенности кумуляции и миграции химических элементов 1 класса опасности в почвах урболандшафтов г. Архангельска / Л.Ф. Попова. М.В. Пилюгина // Экология большого города. (Материалы межд. эколог, форума 18-20 марта
2009, г. Санкт-Петербург). Фундаментальные исследования. - 2009. - № 4 (приложение). - С. 86-89.
35. Попова, Л.Ф. Сравнительное содержание тяжелых металлов (меди, цинка и свинца) в растениях урболандшафтов г. Архангельска. / Л.Ф.Попова. М.В. Никитина // Экологический мониторинг. (Материалы научн. межд. конф. 16-23 августа 2009 г. Анталия, Турция). .Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований - 2009, - № 5. - С 114-117.
36. Popova, L. Specifics of Macro- and Microelements Accumulation in Seasonally-Frozen Urban Soils of Arkhangelsk / L. Popova. M. Pilyugina. // Materials of the V International Conference on Cryopedology. 14-20 September 2009. Moscow - Ulan-Ude. -2009. - P. 164.
37. Попова, Л.Ф. Почвенно-растительный покров города Архангельска как объект научных исследований. / Л.Ф. Попова, E.H. Наквасина, Т.А. Корельская, М.В. Ни-
34
китина, A.A. Михайлова, Ю.М. Никонова // Перспективы развития вузовской науки. (Материалы VI общероссийской научн. конф., 22-25 сентября 2010, г. Сочи). Современные наукоемкие технологии. - 2010, — № 10. - С. 220-223.
38. Попова, Л.Ф. Тяжелые металлы в почвенно-растительном покрове селитебного ландшафта г. Архангельска [Электронный ресурс] / Л.Ф. Попова, Т.А. Корельская // Арктика и Север: электронный научный журнал. - 2012. - № 7. - С. 1-17. -URL: http://narfu.ru/aan/article_index_years.php?ELEMENT_ID=36516.
39. Попова, Л.Ф. Трансформация подвижных форм меди в сезоннопромерзающих почвах г. Архангельска [Электронный ресурс] / Л.Ф. Попова, О.Н. Репницына. // Арктика и Север: электронный научный журнал. - 2012. - № 9. - С. 1-15. - URL: http://narfu.ru/aan/article_index_years.php?ELEMENT_ID=47263.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность всем коллегам - соавторам публикаций, принимавшим участие на различных этапах выполнения исследований. Особую благодарность автор выражает своему научному консультанту доктору с.-х. наук, профессору, Почетному работнику ВПО РФ Наква-синой E.H. за всестороннюю помощь и научно-методическое руководство. Автор благодарит коллектив кафедры химии и химической экологии ИЕНиТ САФУ им. М.В. Ломоносова за помощь на протяжении всех лет исследования и лично к.х.н., доцента Корельскую Т.А., к.х.н., доцента Никитину М.В. за оказание всесторонней поддержки при подготовке диссертации.
Подписано в печать 19.12.2014. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №3257
Издательский дом САФУ 163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56
-
Попова, Людмила Федоровна
-
доктора биологических наук
-
Петрозаводск, 2015
-
ВАК 03.02.08
- Эколого-химическая оценка загрязнения тяжёлыми металлами основных урболандшафтов Архангельска
- Биологические основы формирования устойчивых экосистем и рационального использования почвенно-растительных ресурсов мегаполисов
- Оценка эколого-геохимической устойчивости почв долинных ландшафтов Прегольской низменности
- Эколого-географическая оценка почвенного покрова межгорных степных котловин Горного Алтая с использованием ГИС-технологий
- Оценка экологического состояния почв и воздушной среды г. Благовещенска
