Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

НАКОПЛЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И РАДИОНУКЛИДОВ В ПАРКОВЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "НАКОПЛЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И РАДИОНУКЛИДОВ В ПАРКОВЫХ ЭКОСИСТЕМАХ"

-3609£

НАКОПЛЕНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И РАДИОНУКЛИДОВ В ПАРКОВЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

Специальность 03,00.16 — «Экология»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Орел - 7005

Работа выполнена на кафедре охраны труда и окружающей среды Орловского государственного техническое университета

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Валентина Степановна Громова

Официальные оппоненты'.

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Александр Григорьевич Гурии

доктор биологических наук, профессор Валерий Павлович Иванов

Ведущая организация:

ФГО ВПО «Орловский Государственный Университет»

Защита состоится «3 » ^¿^¡уУ_2006 г. часов на заседании

диссертационного совет/ Км 220.052.01 в ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет» по адресу: 302019, г. Орел, ул. Генерала Родина, 69,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского Государственного Аграрного Университета По адресу: г. Орел, Бульвар по белы, д. 19.

Ученый секретарь диссертационного совета доцент

Т.Ф. Макеева

Актуальность темы. О результате развития хозяйственной деятельности человека возникло большое количество проблем, связанных с загрязнением окружающей среды. Одной из таких проблем стало все возрастающее насыщение окружающих человека ландшафтов токсическими соединениями, в том числе, тяжелыми металлами (ТМ), опасность которых усугубляется тем, что они практически не выводятся, или выводятся крайне медленно из орган юма.

К основным источникам эмиссии тяжелых металлов в окружающую среду относятся промышленные выбросы. Объем таких выбросов в атмосферу в 2001 году от стационарных источников, расположенных на территории Орловской области, составил 15,809 тыс. т. Выбросы от передвижных источников (автомобильный, железнодорожный, воздушный транспорт) составили 88,92 тыс, тонн. Из этого количества на автомобильный транспорт приходится 87,419 тыс. тонн; железнодорожный 0,648 тыс. тонн; воздушный 0,025 тыс, тонн. Таким образом, основное количество загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу, приходится на выхлопы автотранспорта.

Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания содержат около 200 компонентов. Среди них РЬ и его соединения, которые встречаются в отработавших газах карбюраторных автомобилей только при использовании этилированного бензина, имеющего в своем составе присадку, повышающую октановое число. Кроме того, тяжелые металлы поступают в окружающую среду при истирании дорожного покрытия и автопокрышек. К приоритетным загрязнителям относят и радиоактивные элементы (РН), поступающие в окружающую среду в основном в процессе эксплуатации атомных электростанций.

Насаждения растений, особенно древесных, способны очищать атмосферный воздух от пылегазовых частиц и аккумулировать токсичные вещества, находящиеся во взвешенном состоянии, особенно опасном для здоровья человека. Но сами деревья также подвергаются неблагоприятному их воздействию. Это сказывается на развитии и физиологических процессах растений, что, в свою очередь, снижает их очистительную функцию. Различные виды растений в результате физиологических и морфологических особенностей характеризуются неодинаковой способностью накапливать тяжелые металлы. Поэтому важно выявить породы древесных растений, способных эффективно аккумулировать тяжелые металлы, оставаясь при этом устойчивыми к их воздействию в данной климатической зоне.

Цель работы и задачи исследования. Основная цель настоящего исследования состоит в определении закономерностей накопления и распределения тяжелых металлов и радионуклидов в парковых древесных экосистемах и выявлении пород-пурификаторов, устойчивых к загрязнению окружающей среды.

Достижение цели предполагает решение следующих основных задач:

. ЦНБ МСХА

Фоцо^учнрйлвд

>иднау.

1. Выявить зависимость между интенсивностью транспортной нагрузки и уровнем загрязнения тяжелыми металлами основных срсд, прилежащих к трассе парковых экосистем (атмосферный воздух, осалки, почва, древесные растения).

2. Выявить зависимость между интенсивностью движения автотранспорта и состоянием тост-деревьев по морфологическим и физиологическим показателям листьев. Выявить оптимальные сроки использования листьев для мониторинга загрязнения городской среды тяжелыми металлами.

3. Выявить зависимость содержания радиоактивных элементов в почве от уровня загрязнения и количества атмосферных осадков.

4. Выявить взаимосвязь между содержанием тяжелых металлов в почве, атмосферных осадках и некоторыми морфологическими и физиологическими признаками листьев (площадь, количество хлорофилла).

5. Выявить наиболее чувствительные и наиболее устойчивые виды древесных насаждений к загрязнению окружающей среды в данной климатической зоне.

Научная новнзна. Впервые комплексно рассматривается влияние интенсивности движения автотранспорта на накопление и распределение тяжелых металлов в различных объектах парковых экосистем (атмосферные осадки, почва, древесные насаждения) для северной подзоны лесостепной зоны.

Научно-практическая значимость работы. Полученные данные по содержанию тяжелых металлов в объектах парковых зон могут быть использованы при составлении карты геохимического загрязнения почв и древесной растительности г. Орла; позволят дать рекомендации по высадке пород, наиболее эффективно аккумулирующих тяжелые металлы, но остающихся устойчивыми к негативному их воздействию.

По данным диссертации подготовлены методические указания «Индикация загрязнения атмосферного воздуха по изменению содержания хлорофилла в листьях древесных растений» для проведения лабораторных работ по дисциплине «Экология» для студентов всех специальностей ОрслГТУ,

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на V международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Экологическая безопасность и устойчивое развитие» (Москва, 2001), VI международной конференции «Поиск решения проблем выживания и безопасности Земной цивилизации» (Иркутск, 2002), XVIII международной конференции «Человек и общество: на рубеже тысячелетий» (Воронеж, 2003).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, отражающих се основное содержание.

Структура и объем работы. Диссертация состоит нз введения, обзора литературы, 6 глав, заключения, в libo до в, списка литературы, содержащего 137 источников, в том числе 9 на иностранном языке. Работа итожена на 128 страницах, включая 24 таблицы, 13 рисунков, 4 приложения.

Основное содержание работы

I. Характеристика антропогенного влияния на состояние основных сред парковых экосистем (обзор литературы)

Обобщаются и анализируются данные отечественных и зарубежных авторов по источникам поступления тяжелых металлов и радионуклидов в парковые экосистемы, путям их поступления и распределения в системе почва-растение. Отмечена роль зеленых насаждений и растений-мелиорантов в оздоровлении экологической обстановки как в городах, так и в других местах обитания человека (Алексеев. Ю.В.,198?; Дубовицкая 0.в.,2003; Кабата-Пендиас А., Пендиас А., 1989; Соленая А, в, 2000; Шунелько Е.В., 2000; Ягодин A.A., 1997; Яблоков И.А., Федоров E.H., 1999; Катышцева В.Г, Нечаев A.A., 2005).

II. Природно-техногенныеусловия, объекты и методы исследования

Согласно современной классификации климата, Орловская область

расположена в пределах его умеренно-континентального тина, а также северной подзоны лесостепной зоны.

Почвы Орловской области сформированы, в основном, на лессовидных суглинках и лсссах. Преимущественно это оподзолениые (реже типичные) черноземы н темно-серые лесные почвы.

Главным объектом исследования выбраны парковые зоны, состоящие из древесных насаждений, прилегающие К автодорогам с различной степенью транспортной нагрузки. При выборе парковых зон предпочтение отдавали паркам, имеющим идентичный видовой состав древесных насаждений н относительно одинаковый состав автотранспорта с различной интенсивностью. Участок №1 (максимальная интенсивность потока автотранспорта) располагается перед главным корпусом ОГУ. Площадь исследуемого участка около 10000 м2. Участок №2 (средняя интенсивность потока транспорта) находится перед корпусом №2 ОрелГТУ. Площадь участка составляет 5000 м1. Участок №3 (низкая интенсивность потока транспорта) располагается около музея писателей-орловцев. Площадь составляет около 1500 мг. В качестве контрольного выбран участок Медведевского леса площадью 1500 м".

В качестве предмета исследования определены:

1) интенсивность автомобильной нагрузки;

2) почва парковых и лесных экосистем;

3) листва наиболее распространенных в парках древесных пород: дуб черешчатый (Quercus robur), клен ясенелистный (Acer negunda), липа сердцевидная (Tilia cordata), а так же листва этих пород с контрольного участка;

5) атмосферные осадки (твердые и жидкие);

Отбор проб образцов к анализ проводился по существующим методикам (Доспехов Б.А. 1979, ПлохинскиЙ H.A., 1970, Кауричев И.С., 1986, Гольд В.М„ 1971, Садовннкова Л.К, 1997, Методическим указаниям «Методика выполнения измерений массовой доли кислоторасворимых форм металлов»1989, Методическим указаниям по атомно-абсорбционным методам определения токсичных элементов в пищевых продуктах и пищевом сырье

1996.).

Анализ валовых и подвижных форм тяжелых металлов в почве и атмосферных осадках, а также в листве городских зеленых насаждений проводился на базе Государственного комитета по охране окружающей среды Орловской области. Активность радионуклидов определялась в тех же почвенных образцах на базе Федерального Государственного Учреждения «Центр химизации и сельскохозяйственной радиологии «Орловский». Остальные анализы проводились на кафедре ОрелГТУ «Охрана труда и окружающей среды»

III. Закономерности накопления и распределения тяжелых металлов и радионуклидов в почвах парковых зон

К основным источникам ТМ в почвах относят транспорт и выбросы промышленных предприятий (51,123). По нашим данным, транспортная нагрузка вблизи изучаемых участков составила 2067, 1528, 1231 автомобилей в час (ам/ч),сооггветственно для участков 1,2,3. Данные по категориям автотранспорта, выраженные в процентном отношении от общего числа транспортных единиц для каждого исследуемого участка, представлены в таблице (табл. 1),

Таблица 1

Распределение транспортных единиц на различных участках (в %).

Участки Доля категории автотранспорта в общем потоке, %,

Легковые Грузовые дизельные Грузовые бензиновые Автобусы дизельные Автобусы бензиновые Троллей бусы Микроавтобусы

1 75,4? 0,29 2,32 0,14 5,80 2,66 13,30

2 71,98 0,78 1,57 0,13 6,21 2,94 16,36

3 80,00 0,40 0,56 0,97 6,98 5,52 16,65

Как видно из приведенных данных, на всех трех участках основу транспортного потока составляют легковые автомобили, затем микроавтобусы и автобусы с бензиновым двигателем. Количество транспортных единиц с дизельным двигателем значительно уступает количеству транспортных единиц, работающих на бензине. Можно предположить, что состав загрязняющих веществ в выбросах в основном будет одинаковым на всех исследуемых участках.

Тяжелые металлы в почве находятся в различных формах - прочно связанные с органом инеральным комплексом и в различной степени подвижные. Соотношение между различными формами может меняться от различных факторов. При исследовании валовых форм ГЛ/ в парковых и лесной почвах получены следующие результаты (табл. 2).

Таблица 2

Содержание валовых форм тяжелых металлов в почве (мг/кг)

Участки Свинец Цинк Медь Никель

1 65^66+1,24 101,40±1,50 107,05±0,47 22,92±0,24

2 1 52,35±0,38 138,35±0,95 107,25± 0,23 | 22,21 ±0,75

3 1 39,01 ±0,67 226,15±1,12 138,60±0,23 ! 22,75±0,54

4 (контроль) 30,34+0,91 88,05+0,55 64,51+1.2 1 16,65+0,97

ПДК 130 220 132 : 80

Концентрация валовых форм ТМ в основном не превышает ПДК. Самые низкие значения характерны для почвы о контрольного участка. Наиболее высокие значения свинца отмечаются в почве участка № 1 - иа 53,8% больше, чем в контроле. Корреляционная зависимость между содержанием свинца в почве и степенью транспортной нагрузки высокая - г= 0,97.

Наиболее высокая концентрация цинка на участке № 3 — в 1,6*2,2 раза выше, чем на остальных опытных участках и выше, чем на контрольном участке в 2,6 раза. Между интенсивностью транспортной нагрузки и концентрацией валовых форм данного тяжелого металла зависимость прямая -г= 0,74. Наиболее высокие значения концентрации меди (в 1,3 раза) так же отмечаются на участке № 3; выше, чем на контрольном участке в 2,1 раза. Положительная зависимость между концентрацией валовых форм меди и величиной общей транспортной нагрузкой отсутствует, в то же время отмечается тесная корреляция с количеством электротранспорта - г=0,99.

Распределение валовых форм никеля в почвах различных участков отличается равномерностью, но концентрация его в парковых почвах выше, чем в лесной на 26,9-34,5%, Влияние транспорта незначительно.

Анализ подвижных форм ТМ в почве так же показал различную зависимость их концентрации от степени транспортной нагрузки. По сравнению с контрольной, в парковой почве уровень подвижных форм всех металлов выше. Наибольшие значения характерны для свинца - в 3,6-17,1 раз, наименьшие - для никеля - в 1,3 раза. Максимум ка участке № 1, минимум — на участке ЛЬ 3 (табл. 3).

Таблица 3

Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве (мг/кг)

Участки Свинец Цинк Медь Никель

1 48,01 ±0,20 22,3й;0,37 0,34+0,05 3,3 5 ±0,24

2 21,83±0,42 28,07±0,35 0,24±0,03 3,55±0,15

3 Ю,16±0,31 19,16±1,13 1,72±0,03 3,45±0,24

4 (контроль) 2,8010,18 8,13±0,54 0,14±0,04 2,64±0,74

ПДК 6 23 3 4

Наиболее тесная корреляционная зависимость (г «= 0,99) характерна для свинца. Для других элементов коэффициент корреляции соответственно, равен: Хп ~ г= 0,17; Си - г= -0,73; № - г= -0,62.

Сравнительный анализ данных таблиц 2 и 3 показал, что характер распределения валовых и подвижных форм ТМ по участкам в основном идентичен. Отличия заключаются в том, что наиболее высокая концентрация подвижных форм свойственна свинцу. Если валовые формы не превышают ПДК, то содержание подвижного свинца выше ПДК на всех опытных участках, соответственно, в 8; 3,6 и 1,7 раз. Подвижные формы Си не превышают значений ПДК, но на участке № 3 концентрация данного тяжелого металла выше, чем на остальных от 5,1 до 7,2 раз. Для подвижных форм Си, так же как и для валовых, характерна обратная зависимость от общего числа транспорта и высокая положительная зависимость от количества троллейбусного транспорта (г= 98).

Подвижные формы 2п превышают значения ПДК только на участке Ка 2. Значения концентрации на других опытных участках различаются между собой незначительно. По сравнению с лесной в городских почвах его концентрация выше в 2,3-3,4 раза.

Подвижные формы Ы! не превышают ПДК и отличаются относительной равномерностью распределения. Отмечается довольно низкий коэффициент корреляции между концентрацией данного тяжелого металла и количеством автотранспорта (г=-0,62).

Выявленные зависимости между содержанием валовых и подвижных форм тяжелых металлов определяются подвижностью этих элементов в почве. Данные по коэффициенту подвижности тяжелых металчов (Кп), т.е. отношению концентрации подвижного элемента к его валовому содержанию приведены в таблице (табл. 4).

Таблица 4

Значения коэффициента подвижности тяжелых металлов

Участки Свинец Цинк Медь Никель

1 0,73/8,1 ОД 2/2,8 0,003/1,5 0,15/1,0

2 0,42/4,7 0,20/2,5 0,002/1,0 0,16/1,1

.э 0,26/2,9 0,03/0,9 0,012/6,0 0,16/1,0

4(контроль) 0,09 0,09 0,002 0,15

Примечание: в числителе приведены значения Кп, в знаменателе — отношение к контролю (раз).

Анализ приведенных в таблице данных показал, что коэффициент подвижности всех элементов, больше в городской почве, по сравнению с контрольной. Наиболее высокие значения как Кп, так и отношений к контрольной почве, характерны для РЬ. Максимальное значение коэффициента подвижности приходится на участок с наиболее высокой интенсивностью транспортной нагрузки, в почве которого более 70% свинца находится в подвижной форме, в то время как в контрольной почве только 9%.

Динамика распределения коэффициента подвижности цинка аналогична предыдущей, но сами значения меньше. Коэффициент корреляции значений коэффициента подвижности 2п и общего количества транспорта на исследуемых участках составляет г=0,85. Более высокие значения Кп в городских почвах по сравнению с лесной так же свидетельствуют о влиянии транспорта на увеличение в почве подвижных форм цинка.

Наибольшее значение Кп меди приходится на участок 3 (где отмечены превышения ПДК по подвижной форме) и отличается от значений на остальных участках почти в 4 раза. Отмечена довольно высокая обратная зависимость от интенсивности общей транспортной нагрузки (г= -0,71) и высокая степень

влияния количества троллейбусного транспорта (г=0,98). В целом, динамика распределения коэффициентов подвижности полностью совпадает с динамикой распределения подвижных форм Си.

Значения коэффициента подвижности по никелю практически идентичны к не отличаются от контроля, что свидетельствует о минимальном влиянии транспорта па подвижность этого металла (г= -0,64).

Изучение влияния удаленности от трассы на содержание ТМ в почве парковых ландшафтов имеет большое не только теоретическое, но и практическое значение. Это связано с безопасностью людей, особенно детей, отдыхающих в парках, с выбором места для устройства детских площадок, торговых точек, зон отдыха и т.п. Для освещения этого вопроса мы изучали распределение в почве наиболее токсичного из изучаемых элементов (свинца), на примере паркового ландшафта непосредственно примыкающего к автодороге участка №1, характеризующегося наибольшей интенсивностью транспортного движения. Из данных, приведенных на рис.1 видно, что самая высокая концентрация валового свинца отмечена на расстоянии 20 м от проезжей части.

Концентрация

РЬ, иг/кг •*иН '

20 м 30 м 40 м Расстояние от трассы.

50 м

Рис.] Влияние расстояния от трассы на концентрацию свинца в почве участка № I,

Это объясняется газообразным состоянием выбросов автотранспорта, которые прежде чем выпасть на поверхность почвы перемешаются воздушным потоком от автодороги. Наименьшая концентрация отмечена на расстоянии 30 м, что связано с защитной функцией городских зеленых насаждений, играющих роль барьера на пути перемещения выбросов от проезжей части. Концентрация свинца на расстоянии 40 м от трассы практически не отличается от предыдущей, что позволяет говорить о зоне внутри парка с относительно меньшей концентрацией свинца по сравнению с районами, расположенными вблизи от проезжей части. Концентрация на расстоянии 50 м от трассы снова

повышается, хотя она меньше чем концентрация на отметках 10 м и 20 м. Это объясняется тем, что противоположная сторона парка прилегает к еше одной автодороге, но с меньшей транспортной нагрузкой, т.к. по ней передвигается, в основном, служебный транспорт ОГУ,

Таким образом, защитная роль зеленых насаждений (в данном случае лнпы) начинает проявляться после 20 метрового расстояния от трассы. Для данного парка можно выделить двадцатиметровую зону в глубине парка, которая характеризуется относительно низкими концентрациями свинца в почве.

Исследования биологической активности пачеы позволяют оценить влияние выбросов транспорта на ее жизнеспособность. Используемый нами экс пресс* метод проращивания семян кресс-салата на водных вытяжках из изучаемых, почв показал следующие результаты.

Наименьшая биологическая активность почвы отмечается на участке № 1: по сравнению с контрольной почвой ее значение уменьшилось на 34,5%. На участке с максимальной нагрузкой электротранспорта (участок № 3) и низкой общей загруженностью биолопгческая активность почвы снизилась на 22,4%. Определенная обратная зависимость между количеством автомашин и биологической активностью почвы коррелирует с высокой концентрацией поллютантов в почве на данных участках (г= -0,94),

Очевндно, что на увеличение токсичности почвы влияет не только содержание тяжелых металлов, но и уровень радиоактивного цезия, источником которого являются атмосферные осадки (табл. 5).

Таблица 5

Удельная активность Сб|?т в атмосферных осадках (Бк/л) и в почве (Бк/кг)

№ участка Уровень "' в осадках УровеньС5И/ в почве

1 3,6±0,19 262,б5± 1,76

2 2,50±0,24 349,31±1,65

3 3,30±0,26 227,18±1,15

контроль 2,00±0,10 154,36±!,5

НСРМ 0,37 27,5

Как вил но из приведенных данных, в атмосферных осадках, как над парковыми зонами, так и над лесом уровень 13,С5 идентичен. В то же время в городских почвах он достоверно выше, чем в лесных, что объясняется более высоким количеством осадков, выпадающих над городом.

IV. Закономерности накопления и распределения тяжелых металлов б атмосферных осадках на исследуемых участках

Количество осадков за исследуемые годы было немного выше среднегодовой нормы и составило: в 2001 г. — 709 мм, из которых на зимний

период пришлось 297 мм, а на период вегетации 412 мм; соответственно, в 2002 г. -643 мм, 205 и 437 мм; а 2003 г. -703 мм, 218 и 484 мм.

Содержание ТМ в атмосферных осадках колеблется от 0,004 до 0,079 (табл. 6).

Таблица 6

Концентрация тяжелых металлов в атмосферных осадках, (средние данные за 2001-2003 гг.)._

Участки Концентрация, мг/л.

РЬ Си 2п N1

1 0,004±0,001 0,020+0,007 0,071+0,015 0,018+0,008

2 0,004+0,001 0,022±0,008 0,079+0,025 0,017+0,005

3 0,004+0,001 0,025±0,010 0,069+0,009 0,017+0,006

4 (контроль) 0,004±0,001 0,01610,005 0,070±0,015 0,016+0,005

Как видно из приведенных данных, концентрация РЬ в атмосферных осадках варьирует в незначительных пределах и не превышает значений контроля, что свидетельствует об отсутствии влияния автомобильного транспорта. Это, очевидно, объясняется тем, что соединения свинца, как более тяжелые, в основной своей массе концентрируются в приземном слое воздуха. Поэтому поступление РЬ из данного источника не может значительно повлиять на его накопление в городских экосистемах.

Кониентрации Си, 7п и N1 в атмосферных осадках колеблются в небольших пределах. При этом, для Си характерно превышение значений контроля на всех городских участках по сравнению с контролем, в среднем на 25-56%. Это позволяет предположить, что на ее концентрацию оказывают влияние не только транспорт, но и выбросы предприятий цветной металлургии, находящиеся как в Орловской области, так и за ее пределами. Влияние промышленных предприятий прослеживается и для и для N1, количество которых практически не отличается в осадках над городскими и лесными экосистемами. Исключение составляет содержание цинка в осадках над участком № 2, более высокая концентрация которого объясняется тем, что на небольшой территории этого участка сконцентрированы три предприятия («Научприбор», «Орзэп», «Протон»), выбросы которых содержат Ъп.

Концентрации тяжелых металлов в атмосферных осадках меняются с течением времени. Из данных, приведенных на рис. 2-5 видно, что наблюдается два максимума содержания данных поллютантов в атмосферных осадках: летний и зимний. Первый связан с температурными условиями, при которых возрастает доля водорастворимых соединений в осадках, второй (меньший) - с повышенной адсорбционной особенностью снега. Наши данные подтвердили данные литературы (122).

Содержания свинца в летних осадках больше, чем в зимних в 1,4 раза

(Рис.2).

0,008 0,007 0,006 с 0,005 = 0,004 О 0,003 0,002 0,001 0

1 23456789 10 1t 12

Месяцы

Рис. 2 Концентрации РЬ в атмосферных осадках на исследуемых участках, 2001-2003 гг.

Уровень меди в атмосферных осадках в летние месяцы также выше, чем в зимние - в 1,5 раза. Из данных, приведенных на рис.3 видно, что самое высокое содержание меди, как в зимний максимум, так и в летний, приходится на участок 3, характеризующийся высокой плотностью электротранспорта.

—Участок 1 —Участок 2 Участок 3 — Участок 4

1 I 4 S t Г I

Месяцы

Рис. 3 Концентрация Си в атмосферных осадках на исследуемых участках, 2001-2003 гг.

Различия в содержании цинка, как в зимний, так к в летний периоды выпадения атмосферных осадков незначительны (рис.4).

Рис. 4 Концентрация Хг\ в атмосферных осадках на исследуемых участках, 2001-2003 гг.

Динамика его концентрации приближается к прямой, что объясняется режимом выбросов промышленных предприятий.

Подобная динамика характерна н для никеля, разница между зимним и летним максимумами составляет 1,14 раза (рис, 5).

0,09 0,08 0,07 0,0в | 0,05

О'

0,03 0,02 0,01 О

-Участок 1 -Участок 2 Участок 3 —участок 4

1234587«* 10 11 II

Месяцы

Рис. 5 Концентрация N4 в атмосферных осадках на исследуемых участках, 2001-2003 гг.

Полученные данные еще раз подтверждают, что источниками цинка и никеля в атмосферных осадках (так же как и в почвах) является не транспорт, а промышленные производства.

V. Закономерности накопления тяжелых металлов в листьях деревьев различных пород

Величина концентрации тяжелых металлов в листве парковых экосистем зависит от целого рада факторов. К ним относят концежрацию тяжелых металлов в почве, их доступность растениям, характер источника загрязнения тяжелыми металлами (газообразные выбросы транспорта, промышленных предприятий, видовые особенности растений и др.).

Нами были исследованы листья изучаемых пород на содержание самого токсичного из изучаемых металлов - РЬ н самого биофнльного - Си. Общая динамика распределения тяжелых металлов, в целом за весь период наблюдений (2001-2003 г.г,), по исследуемым участкам приведена в диаграммах (Рис. 6-7)

ИМ 1иЛ1 «н/ч 1211 ан/ч

Рис. 6 Распределение РЬ в листве исследуемых древесных пород в зависимости от транспортной нагрузки.

Анализ данных, представленных на рис. 6, подтвердил прямую зависимость концентрации РЬ в листьях от величины общей транспортной нагрузки. Подобная зависимость характерна и для Си. Как и в других случаях, наиболее тесная зависимость концентрации Си от количества электротранспорта (рис,7).

Рис. 7 Распределение Си в листве исследуемых древесных пород в зависимости от количества электротранспорта.

Представленные данные свидетельствуют о видовых отличиях способности растений накапливать в листве тяжелые металлы, которые проявляются уже в начале периода вегетации. Наибольшие концентрации их в листьях растений всех исследуемых пород определяются в конце вегетации. Накопление тяжелых металлов в период вегетации подчиняется полиномиальной зависимости. На вссх исследуемых участках наибольшие концентрации Си н РЬ отмечаются в листьях растений липы сердцевидной, за которой следуют растения дуба черешчатого и клена ясенелистного. Наряду с другими, это объясняется и такими видовыми особенностями растений как площадь и характер покрытия листовой пластинки, способностью ее удерживать и накапливать пылевые частицы. У липы сердцевидной листья покрыты клейким веществом, что позволяет ей более активно задерживать пылевые частицы с тяжелыми металлами, несмотря на меньшую площадь листьев (табл. 7).

Таблица 7

Количество пыли на листьях различных пород городских зеленых

насаждений (в % от контроля).

Участки Листья дуба Листья клена Листья липы

черешчатого ясенелистного сердцевидной

(Quereus robur) (Асег пе$иш!а) (Tilia cordata)

1 233 274 360

2 192 237 261

3 177 222 254

4 (контроль) 100 100 100

Листва дуба черешчатого покрыта относительно толстым слоем кутикулы, представляющей собой растительный воск, что также позволяет задерживать пылевые частицы, хотя и не в таком объеме как листва липы сердцевидной. Листва клена ясенелистного отличается наибольшей площадью, но поверхность листа наиболее гладкая, в результате чего пыль задерживается не так эффективно как у растений других пород. Полученные более высокие значения пыли на листьях клена, по сравнению с дубом, обусловлены его большей площадью (в среднем в 2 раза).

Таким образом, растения липы сердцевидной больше, чем растения других исследованных пород, аккумулируют тяжелые металлы и задерживают пыль, что характеризует ее как эффективного пурификатора воздушной среды.

VI. Закономерности изменения показателен состояния листьев деревьев различных пород под влиянием транспортной нагрузки

Для определения состояния древесных растений использованы методы биоиндмкащш: величина площади листьев, показатель ассиметрии, концентрация хлорофилла. Данные по показателю величины площади листьев приведены в таблице (табл. 8).

Таблица 8

Изменение площади листьев деревьев в зависимости от величины

Транспортная нагрузка ам/час

Дуб черешчатый Клен ясенелистный Липа сердцевидная

2067 55,3 46,7 59,9

1528 71,6 57,1 66,3

1231 95,6 82,8 83,9

0 (контроль) 100 100 100

г -0,96 -0,92 -0,90

Анализ полученных данных показал, что площадь листьев у растений всех исследуемых пород уменьшается с увеличением автонагрузки. Более устойчивыми к неблагоприятному воздействию поллюгантов по сравнению с другими породами оказались растения липы сердцевидной и дуба.

На неоптимальность среды обитания указывает показатель асимметрии, значения которого возрастают с увеличением природного и антропогенного стресса на экосистемы. Результаты по определению коэффициента флуктуирующей асимметрии приведены в таблице (табл. 9).

Таблица 9

Значения коэффициента флуктуирующей асимметрии листьев различных пород городских зеленых насаждений в зависимости от интенсивности нагрузки (в % от данных контроля).

Клен Дуб Липа

Интенсивность транспортной ясенелистный черешчатый сердцевидная

нагрузки (ам/ч) (Асег пе;*1т<1а) (0иегси$ (ТШа сог<1а1а)

гоЬиг)

2067 416,7 400,0 340,0

1528 383,3 340,0 300,0

1231 333,3 280,0 200,0

0 100 100 100

г 0.98 0,99 0,99

Наибольшие значения показателя флуктуирующей асимметрии наблюдаются у растений клена, наименьшие - у липы. Отмечается тесная зависимость этого показателя от интенсивности транспортной нагрузки (г = 0,98-0,99). В контрольных образцах значения показателя асимметрии на порядок меньше, чем в образцах на исследуемых участках, и их различия по видам растений незначительны. Очевидно, в относительно благоприятных экологических условиях, особенности видовой адаптации выражены меньше.

Концентрация хлорофилла в листьях тесно связана не только с процессом фотосинтеза, но и с интенсивностью всего обмена веществ растительного организма. У растений, испытывающих неблагоприятное , воздействие окружающей среды, значения концентраций хлорофилла значительно снижается. ГТо нашим данным, в парковых экосистемах, подверженных влиянию загрязняющих веществ она намного ниже, чем у растений контрольных участков, как в начале, так и в конце вегетации. Наиболее высокие значения хлорофилла определяются в листьях липы сердцевидной, наименее - клена ясенелистного. Различия в концентрациях проявляется уже в начале вегетации, а в конце вегетации становятся более очевидными. Кроме того, у растений с городских участков скорость потери хлорофилла выше по сравнению с контролем. Данные, приведенные в таблице 10 свидетельствуют о прямой зависимости скорости потери хлорофилла от интенсивности транспортной нагрузки и видовых особенностях растений (табл. 10)

Таблица 10

Относительная скорость потери хлорофилла (%)

Интенсивность транспортной нагрузки (ам/ч). Участки Породы деревьев

Клен ясенелистный Дуб черешчагый Липа сердцевидная

2067, № 1 23,3 18,8 7.5

1528, №2 И,1 ид 4,7

1231), №3 3,8 6,8 3,8

0(контроль) 3,4 2,0 4,6

Скорость потери хлорофилла листьями растений липы значительно меньше, чем у других исследуемых пород. На участке № 1 с самой высокой

интенсивностью транспортной нагрузки скорость потери хлорофилла по сравнению с контролем у липы больше в 1,6; дуба —9,4; ясеня — 6,8 раз.

Таким образом, видовые особенности липы способствуют снижению скорости потери хлорофилла в течение вегетационного периода даже в условиях интенсивного загрязнения атмосферы.

6.4 Экономическое обоснование использования исследуемых парод в городских парковых экосистемах

Для поддержания в устойчивом состоянии древесных парковых экосистем, подвергающихся массированному влиянию загрязняющих веществ, необходимо проведение ряда мероприятий, в том числе высадка и уход за растениями. Финансовые затраты муниципальных предприятий для данных целей складываются из стоимости посадочного материала, оплаты труда рабочих по высадке саженцев, дальнейшему уходу за растениями и стоимости эксплуатации вспомогательной техники и ее обслуживания.

Таблица 11

Затраты по высадке и уходу за 10 деревьями исследуемых пород городских зеленых насаждений._

Наименование работ Затраты за высадку саженцев

Липа сердцевидная Клен ясенелистный Дуб черешчатый

Приобретение посадочного материала 12 р. 78 коп. 8 р. 00 коп. 3 р, 20 коп

вы копка саженцев 41 р. 26 коп. 41 р. 26 коп. 41 р. 26 коп.

подготовка посадочных мест 52 р. 98 коп. 52 р. 98 коп. 52 р. 98 коп.

посадка саженцев 119 р. 54 коп 119 р. 54 коп 119 р. 54 коп

Всего 226 р.56 кол. 221 р. 78 коп. 216 р.98 коп.

Затраты по уходу за растениями

вырезка сухих сучьев 45 р. 20коп. 146 р. 70 коп. 83 р. 60 коп.

валка погибших деревьев 70 р. 50 коп. 463 р. 84 коп. 231 р. 92 коп.

Всего 115 р. 57 коп. 610 р. 54 коп 315 р. 52 коп.

Стоимость посадочного материала исследуемых пород деревьев, по данным Муниципального унитарного предприятия совхоз «Коммунальник» составляет (в расчете на 10 саженцев): клена ясенелистного - 8 р.; дуба черешчагого - 3 р. 20 коп.; липы сердцевидной - 12 р. 78 коп. Оплата труда одному рабочему: за выкопку 10 саженцев с оголением корневой системы - 41

р. 26 коп., подготовку посадочных мест - 52 р. 98 коп., за непосредственную посадку саженцев с использованием техники для транспортировки 119 р. 54 коп. Затраты по уходу за растениями включают вырезку сухих сучьев и валку сухих деревьев. Стоимость вырезки составляет: до 5 срезов с дерева - 4 р. 52 коп,, до 15 срезов- 8 р. 36 коп., свыше 15 срезов-14 р. 67 коп. Валка погибших деревьев с использованием техники составляет для твердых пород 115 р. 96 коп., для мягких пород - 70 р. 50 коп. Клен и дуб относятся к твердым породам, липа - к мягким. В 2004 г. по улице Наугорское шоссе в расчете на 10 деревьев приходилось погибших: клена ясснелнстного -4, дуба черешчатого -2, липы сердцевидной -1 дерево. Расчет затрат представлен в таблице (табл. 11).

Как видно из приведенных данных, затраты за высадку саженцев различных деревьев отличаются незначительно. В то же время затраты по уходу за 10 деревьями липы сердцевидной в 2,7 раза ниже, чем затраты по уходу за растениями дуба черешчатого и в 5,2 раза ниже чем затраты по уходу за растениями клена ясенелнстного.

Таким образом, более широкое использование липы сердцевидной в городских зеленых насаждениях позволит не только улучшить экологическую ситуацию, но и сэкономить деньги городского бюджета.

Выводы

1. В парковых экосистемах, подвергающихся воздействию движения транспорта, выбросов промышленных предприятий происходит накопление токсичных веществ, в том числе тяжелых металлов (ТМ) и радионуклидов, В почвах парковых зон концентрация валовых форм РЬ, Ъл, Си, № не превышает значений установленных нормативов (ПДК). В то же время, по сравнению с лесной почвой (контроль) концентрация всех элементов выше: РЬ — в 1,3-2,2 раза, 2п - в 1,2-2,2 раза, Си - в 1,7-2,1; К| — в 1,3-1,4 раза. Наиболее тесная прямая зависимость между концентрацией металла и интенсивностью транспортного движения отмечена для: РЬ - г= 0,99. Для Си тесная корреляционная связь отмечена только с количеством электротранспорта (г= 0,98), Для Ъх\ и N1 влияние транспорта незначительно (г = 0,17; -0,62).

2. Характер распределения подвижных форм ТМ в зависимости от интенсивности транспортного движения в основном подобен валовым формам металлов, за исключением свинца, содержание которого превышает ПДК в 1,78,0 раз. До 70% РЬ , находящегося в почве парковых экосистем представлено подвижными формами. Уменьшение степени транспортной нагрузки способствует снижению подвижных форм до 26%, а в лесной почве подвижный свинец составляет всего 9,2% от валового значения. К особенностям накопления подвижной Си в парковых почвах относится увеличение ее количества в 4-5 раз на участках с интенсивным движение электротранспорта.

3. Дополнительным источником ТМ и радионуклидов как в парковых, так и лесных экосистемах являются атмосферные осадки. Достоверное влияние

транспортной нагрузки на концентрацию этих соединений не отмечено, что позволяет считать их источником выбросы промышленных предприятий. В годовой динамике ТМ выделяется два максимума - зимний (февраль) и летний (июль). Это обусловлено, в основном, природными процессами: зимой — повышенной адсорбционной способностью снега, летом — более высокой температурой, при которой в осадках возрастает роль растворимых соединений.

4. Уровень |37Са в осадках идентичен как над парковыми зонами, так и над лесом. Более высокая его концентрация в почвах городских экосистем обусловлена повышенным количеством выпадающих над городом осадков.

5. Загрязнение окружающей среды (почвы, воздуха) закономерно приводит к снижению биологической активности почвы и к накоплению токсичных веществ в растениях. Отмечена прямая тесная зависимость концентрации РЬ в листьях деревьев всех изучаемых пород (липы сердцевидной, клена ясенел и стного, дуба черешчатого) от интенсивности транспортного движения (г=0,99), а для Си- от количества электротранспорта (г=0,97), Наиболее высокие концентрации ТМ накапливаются в листьях липы сердцевидной, наименее - в листьях клена ясенелистного. По этому признаку листья дуба занимают промежуточное положение. Максимальное содержание ТМ в листьях определяется в первой половине сентября, что обусловлено физиологическими особенностями растений, в том числе поглощать и накапливать ТМ из почвы и атмосферных осадков. В листве деревьев парковых экосистем концентрация ТМ увеличивается соответственно интенсивности движения транспорта.

6. Определенное значение на накопление ТМ в листьях деревьев различных пород оказывает их способность накапливать пыль. Максимальное количество пыли накапливают листья липы, благодаря наличию клейкого вещества на поверхности листовой пластинки, и листья клена, благодаря большой площади листа. По концентрации пыли на единицу площади листа, исследуемые деревья располагаются в следующий убывающей последовательности: липа сердцевидная, дуб черешчатый, клен ясенелистный. Очевидно, что в городских парковых экосистемах основным фактором, влияющим на накопление ТМ в листьях деревьев является не почвенный, а атмосферный (пыль, газы, атмосферные осадки).

7. Накопление токсических веществ в листьях способствует изменению состояния деревьев. Используемые методы биоиндикацни показали, что площадь листьев, показатель ассиметрии, концентрация и относительная скорость потери хлорофилла находятся в тесной прямой зависимости от интенсивности движения транспорта. Наиболее уязвимыми оказались клен ясенелистный и дуб черешчатый, менее - липа сердцевидная.

8. Расчет экономических затрат показал, что стоимость высадки различных пород практически идентична. Затраты по уходу (вырезка сухих сучьев, валка погибших деревьев) самые низкие для липы благодаря ее

устойчивости к загрязнению окружающей среды, самые высокие - для клена ясенелистного.

Полученные данные позволяют рекомендовать высаживать липу сердцевидную в парковых экосистемах, подвергающихся массированному антропогенному загрязнению, в том числе в результате интенсивного транспортного движения.

Список опубликованных работ по теме диссертации.

1.Воробьев С.А, Содержание тяжелых металлов в листве городских зеленых насаждений [текст]/ С.А.. Воробьев// V-я международная экологическая студенческая конференция «Экология России и сопредельных территорий». - Новосибирск, 2000 г.-С. 112-116.

2. Воробьев С.А. Влияние автомобильного транспорта на содержание тяжелых металлов в почве г. Орла [текст]/ С.А.. Воробьев// V-я международная экологическая конференция студентов и молодых ученых «Экологическая безопасность и устойчивое развитие»,- MÍTy^OOl г.-С. 98-100.

3. Воробьев С.А. Содержание тяжелых металлов в листве зеленых насаждений г. Орла [текст]/ С,А.. Воробьев// Сборник статей «Поиск решения проблем выживания и безопасности Земной цивилизации». - Иркутск, «ASPrint», 2002 г.- С. 68-72.

4. Воробьев С.А. Использование методов биоиндикации в городских условиях для определения экологической нагрузки на участки, прилегающие к автодорогам [текст]/ O.A.. Воробьев// Международный сборник статей «Человек и общество на рубеже тысячелетий». - Воронеж, 2003 г. - С 319-323.

5. Воробьев С.А. Влияние выхлопов автотранспорта на содержание тяжелых металлов в городских экосистемах [текст]/ С.А.. Воробьев// Безопасность жизнедеятельности. - 2003,- №10.- С 55-59.

6. Воробьев С.А. Влияние содержания тяжелых металлов в почве на распределение РЪ в листве зеленых насаждений г. Орла [текст]/ С.А.. Воробьев// Вестник Орловского отдела Русского географического общества. Выпуск 1. - Орел, 2002 г.- С. 42-48.

7. Воробьев С.А. Влияние автомобильного транспорта на количество сухого минерального осадка в пробах талой воды [текст]/ С.А.. Воробьев// 35-я студенческая научно-техническая студенческая конференция «Неделя науки-2002». - Орел, 2002 г.- С. 125-127.

3 Воробьев С.А. Использование морфологических признаков растений городских зеленых насаждений для оценки транспортной нагрузки [текст)/ С.А.. Воробьев// Вестник ОрелГТУ. Легкая и пищевая промышленность. Выпуск 5-6, ОрелГГУ, 2005. - С. 44-46.

9. Дмитровская Т.А. Индикация загрязнения атмосферного воздуха по изменению содержания хлорофилла в листьях древесных растений [текст]: Методические указания для выполнения лабораторной работы/ Т.А. Дмитровская, B.C. Громова, С.А.. Воробьев. - ОрелГТУ 2005.

Подписано к печати 26.12.2005 Формат 60x84 1/16 Печать ризография. Объем 1,5 усл. печ, л. Тираж 100 экз. Заказ № 264 Отпечатано с готового оригинал-макета На полиграфической базе ОрелГТУ 302030, г. Орел, ул. Московская, 65