Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Особенности распределения тяжелых металлов в почвах и растениях поймы нижнего течения реки Дон и ее дельты

ВАК РФ 11.00.01, Физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Черкашина, Ирина Федоровна, Ростов-на-Дону

Ростовский государственный университет

На правах рукописи

Черкашина Ирина Федоровна

Особенности распределения тяжелых металлов в почвах и растениях поймы нижнего течения реки Дон и ее дельты

11.00.01 - физическая география, геохимия и геофизика ландшафта Диссертация на соискание ученой степени кандидата

географических наук

Научные руководители

Доктор географических наук, профессор

Ю.А.Федоров Кандидат географических наук, доцент Г.П.Долженко

Ростов-на-Дону 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 2

1. Географическая характеристика района исследований 7

2. Методы исследований 10

2.1 Полевые исследования 10

2.2 Картографическое проектирование 11

2.3 Лабораторный анализ лито- и биогеохимичесских проб 13

2.4 Статистическая обработка геохимических данных 124

2.5 Методы оценки экологического состояния территории 17

3. Особенности распределения тяжелых металлов в геохимических ландшафтах поймы и дельты Нижнего Дона ..... 22

3.1 Распределение тяжелых металлов в почвах '" 30

3.2 Особенности распределения металлов в золе растений 37

4. Ландшафтный анализ распределения тяжелых металлов в пойме

нижнего течения реки Дон и ее дельты 56

4.1 Геоморфологический уровень 58

4.2 Литолого-минералогический уровень 71

4.3 Педологический уровень 75

4.4 Фитоценотический уровень 80 .

4.5 Экосистемный уровень 84

4.6 Техногенный уровень 85 >

5. Особенности распределения металлов в пойме нижнего течения реки Дон и ее дельте, как показатели экологического и

токсикологического состояния ландшафтов 88

5.1 Распределение свинца 88

5.2 Распределение марганца 99

5.3 Распределение меди 109

6. Оценка экологического состояния пойменных рекреационных территорий, расположенных в черте г.Ростова-на-Дону 117 Заключение 122 Список литературы 124

Введение

Актуальность темы. В настоящее время пойма нижнего течения реки Дон и ее дельта интенсивно используются в народном хозяйстве, и результаты хозяйственной деятельности, несомненно, приводят к трансформации природных ландшафтов. Насколько техногенный процесс разрушает природные территории, до сих пор остается не ясным, поскольку современные методы оценки, используемые разными авторами дают, порой, противоречивые результаты. Оценка экологического состояния ландшафтов - также актуальная научная и практическая проблема сегодняшнего дня, без нее нельзя оптимизировать использование природных ресурсов и планировать устойчивое развитие территориально-природных комплексов (ТПК). Составной частью оценки экологического состояния территории традиционно являются данные о содержании тяжелых металлов (ТМ) в разных природных средах, так как эти химические элементы входят «в группу риска», т.е. могут стать загрязняющими ландшафт веществами. Кроме того, они используются в качестве геохимических индикаторов природных процессов, протекающих в ТПК. Концентрации ТМ легко определяются методами спектрального анализа и другими экспресс-методами, что удешевляет исследования и позволяет получить массивы данных, пригодных для статистической обработки результатов. Все перечисленные факторы способствовали выбору ТМ в качестве объекта исследования и индикатора экологического состояния ландшафтов поймы нижнего течения реки Дон и ее дельты. Однако, применение геохимических методов при оценке экологического состояния ландшафтов ставит исследователей перед необходимостью решения проблемы фоновых показателей, поскольку разные авторы используют разные критерии при выборе фоновых значений концентраций химических элементов. В настоящей работе фоновые концентрации рассчитываются статистически и используются как показатели состояния пойменных ландшафтов.

Изучению и прогнозированию развития рекреационных территорий в Ростовской области уделяется недостаточно внимания, хотя очевидна опасность разрушения природных комплексов, используемых для отдыха, особенно вблизи Ростова-на-Дону. Антропогенный пресс в этих ландшафтах превосходит

научно обоснованные предельные уровни, что приводит к нарушению естественного биологического круговорота в них, поэтому утрачиваются рекреационные свойства территории. В связи с тем, что в последнее время техногенная нагрузка на пойменные территории возросла, есть опасность их окончательного разрушения. Таким . образом, необходима оптимизация дальнейшего -, использования пойменных ландшафтов в соответствии с концепцией устойчивого развития.

Цели и задачи исследования. Цель данной работы - изучение закономерностей распределения тяжелых металлов в почвах и растениях поймы нижнего течения реки Дон и ее дельты и использование геохимических показателей при анализе природных и техногенных процессов, формирующих облик современных ландшафтов. В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

Изучить ландшафтно-геохимические особенности территории поймы и

дельты Нижнего Дона. Выявить роль отдельных компонентов ландшафтов на содержание

тяжелых металлов в почвах и растениях. Оценить возможности использования разных видов растений, как

индикаторов геохимической обстановки в пойме и дельте реки Дон. Оценить экологическое состояние рекреационных территорий поймы,

как наименее изученных, с позиций геохимии ландшафтов. Материалы и методика. В основу диссертации положены материалы, собранные автором и участниками ландшафтно-геохимической экспедиции РГУ в 1979-1990 году под руководством В.А.Алексеенко. В работе использованы фондовые материалы Южгипроводхоза, ЮжНИИгипрозема, ПГО «Южгеология» и др.

Основными объектами исследований в настоящей работе являются ландшафты поймы нижнего течения реки Дон и ее дельты, почвы и растения и содержание в них тяжелых металлов. Исследования являются комплексными, на стыке ряда наук - географии, экологии, геохимии, почвоведения, фитоценологии. В основу исследований был положен системный подход изучения геохимических особенностей ландшафтов, разработанный основателями

Использование методик, применяемых при геохимических поисках полезных ископаемых, ландшафтно-геохимических исследованиях оценки состояния окружающей среды, почвенно-мелиоративных изысканиях, позволили автору разработать метод ландшафтного анализа распределения химических элементов в почвах и растениях.

Личный вклад автора заключается в участии в ландшафтно-геохимической экспедиции РГУ, в составе которой отобрано 1018 лито- 350 биогеохимических проб от Волгодонска до Азова. Все пробы были подготовлены к анализам. Подготовлен внутри- и межлабораторный контроль. Составлена и подготовлена к изданию серия ландшафтно-геохимических карт поймы и дельты Нижнего Дона. Самостоятельно проведены детальные исследования в рекреационно-промышленной зоне Ростова-на-Дону.

Научная новизна. Впервые для поймы и дельты Нижнего Дона получены результаты распределения тяжелых металлов в почвах и растениях, создана серия ландшафтно-геохимических карт для этой территории;

получены статистически достоверные массивы показателей содержания металлов (Мп, N1, Си, "П, V, Сг, Zn, Тх, РЬ, Со, Мо, Ва, Оа, 8г ) в почвах поймы и дельты Дона, коэффициенты концентрации и суммарные показатели загрязнения почв; проведен ландшафтный анализ распределения некоторых металлов в почвах

и выявлены зоны аккумуляции и выноса тяжелых металлов в почвах; изучены особенности накопления некоторых металлов растениями -эдификаторами луговых и болотных сообществ, рассчитаны коэффициенты биологического поглощения (Кб) для разных растений -пырея, тростника, полыни австрийской, тополя; Дана оценка экологического состояния пойменных ландшафтов в рекреационной зоне г. Ростова-на-Дону.

Практическая значимость. Методы, выводы и данные использовались НПП «Экологическая лаборатория» при проведении мониторинга окружающей среды в г.Ростове-на-Дону и прилегающих ландшафтах, при оценке экологического состояния ландшафтов Нижнего

4

Дона, кроме того, они могут быть использованы при составлении экологического паспорта рекреационных комплексов поймы р.Дон, при исследовании территорий с близкими природными условиями, при проектировании хозяйственной деятельности на этой территории.

Защищаемые положения 4, Ландшафтный анализ распределения тяжелых металлов позволяет

максимально полно учесть влияние всех компонентов ландшафта на содержание этих элементов в почвах и растениях.

Колебания фоновых содержаний ТМ в почвах и растениях и зоны повышенных и пониженных концентраций связаны с ландшафтно-геохимическими условиями поймы нижнего течения реки Дон и ее дельты.

Ъ. Содержания ТМ в золе растений и коэффициенты биологического

поглощения (Кб) дополняют геохимическую характеристику ландшафта, дают возможность более полно судить о подвижности ТМ в почвах и вести количественные расчеты по выносу химических элементов из ландшафтов с урожаем сена и сельхозкультур. 4. Пойма и дельта Нижнего Дона представляет собой значительный

рекреационный потенциал, однако, вблизи г.Ростова-на-Дону, выявлены зоны и отдельные точки наблюдений, в которых значения концентрации ТМ вызывают опасения и могут быть квалифицированы,как локальное загрязнение. На большей исследуемой территории настоящие исследования не выявили какого-либо значительного загрязнения почв и растений ТМ.

Изученность вопроса

Пойма и дельта Нижнего Дона издавна служила полигоном для экспериментов ученых и практиков. Фундаментальные исследования В.Р.Вильямса, В.В.Докучаева, В.В.Богачева и других ученых положили начало изучению ландшафтов поймы Нижнего Дона. Более подробные изыскательские исследования, связаны с проектированием Волго-Донского магистрального канала. Именно в этот период вышли в свет работы по геологии, геоморфологии, почвоведению и геоботанике поймы Нижнего Дона И.М.Крашенйнникова (1928), Б.Б.Полынова (1921), Е.И.Блажнего и

С.И.Тюремнова (1929), Г.И.Попова (1948), Захарова (1946), А.В.Новиковой (1948) и др.

Зарегулирование стока р. Дон, проектирование ирригационных систем, создание новых агроландшафтов- рисовых чеков, рыбоводных прудов осуществлялись под научным руководством специалистов Южгипроводхоза (Р.Н.Смирнов, А.ИЛуценко), АзНИИРХа (В.Г.Дубинина), ЮжНИИГиМа (Будько Е. Н), ЮжНИИгипрозема и др.

Современный этап включает исследования, посвященные последствиям техногенеза и оценке состояния поймы р. Дон в связи с проблемами глобального и регионального загрязнения окружающей среды. Исследования в этом направлении проведены в рамках комплексной ландшафтно-геохимической экспедиции РГУ под руководством В.А.Алексеенко (1986,1989,1990). А.Д.Хованским (1990,1993) изучены элементарные ландшафты р. Дон и его притоков, Ю.П.Хрусталевым (1989) проведены обширные исследования по загрязненности акваторий р.Дон -Таганрогский залив - Азовское море, Ю.А.Федоровым и др. (1998) опубликованы результаты исследований по распределению свинца и радона в донных отложениях в зоне слияния р.Дон-Таганрогский залив- Азовское море. В.В.Приваленко (1990, 993) изучены ландшафты поймы р. Северский Донец. П.Ф.Молодкин разработал классификацию антропогенных форм рельефа поймы и дельты р. Дон.(1995) и т.д. Таким образом, имеется обширный научный материал о природных особенностях поймы и дельты Нижнего Дона. Накоплен определенный опыт по оценке экологического состояния исследуемой территории. Но чаще оценки касаются отдельных компонентов ландшафта (поверхностных вод, рельефа, почв, растительности) и не дают всестороннего анализа экологической обстановки. Так, оценка состояния почвенного покрова в основном ориентирована на сельскохозяйственное использование пойменных земель, и поэтому для экологической оценки используются агрохимические показатели качества почв, которых недостаточно для эколого-геохимического состояния территории. Анализ предыдущих исследований показал, что настоящая работа вносит вклад в современную оценку экологической обстановки в пойме Нижнего Дона.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований вошли в

отчеты о НИР «Разработать ландшафтно-геохимические критерии

б

распределения тяжелых металлов в почвах, водах, растениях Нижнего Дона и Северного Кавказа» 1986г. и "Дать качественную количественную оценку состояния ландшафтов Нижнего Дона и Северного Кавказа к изменениям, проходящим в них в результате хозяйственной деятельности" 1990г., неоднократно представлялись на различных совещаниях и конференциях: 1-ом Всесоюзном совещании по геохимиии ландшафта и геохимическим методам поиска полезных ископаемых в Новороссийске (1982).; на IV Всесоюзном совещании «Теория и практика геохимических поисков в современных условиях » в Ужгороде (1988); на Всесоюзной школе по геохимии техногенеза в Минске (1991); на научно-практической конференции "Геоэкологические аспекты хозяйствования, здоровья и отдыха" в Перми (1993). По результатам исследований опубликованы 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из шести глав, введения и заключения. Ее объем составляет 128 страниц машинописного текста. Текст иллюстрирован 49 рисунками и 27 таблицами. Список литературы включает 63 наименований из них 2 на иностранных языках.

Автор благодарит своих научных руководителей д.г.н. Федорова Ю. А. и к.г.н. заведующего кафедрой общей географии, краеведения и туризма Долженко Г.П. Также автор признателен коллегам по экспедиции, ныне д.г-м.н. В.А. Алек-сеенко, д.б.н. В.В.Приваленко, д.г.н. АД.Хованскому, Вал. Ап. Алексеенко, АД.Лукьянченко. Автор благодарна за консультации и помощь при научном анализе результатов исследований д.г.н. П.Ф. Молодкину, д.г-м.н. В.И. Коробки-ну, д.г.-м.н.В.Е Закруткину, О.А.Бессонову, д.г.-м.н. Л.Я.Кизилыдтейну, д.б.н.Громову, к.б.н. Г.И.Степнину, к.б.н.А.В.Рогинскому, давшим ценные замечания по диссертации.

1. Географическая характеристика района исследований

Пойма Нижнего Дона согласно физикогеографическому районированию относится природно-территориальному комплексу, расположенному на юге Восточно-Европейской равнины в зоне степей в Доно-Сало-Маныческой провинции, Донском округе, Нижне-Донском районе (Природа, население, хозяйство Ростовской области 1994).

Краевыми границами Нижнего Дона является бьеф Цимлянского водохранилища и морской край дельты, что составляет 340 км Ширина поймы в

среднем около 12 км колеблется от 2,5 км в сужениях и 23км в наиболее широких местах. Площадь водосбора от створа плотины до устья реки-171 тыс. кв. км. Общая площадь дельты-554 кв. км.

Долина Дона находится в северной части Азово-Кубанской тектонической впадины, которая характеризуется продолжающимся погружением, что обуславливает уклон поймы и дельты Нижнего Дона с востока на запад. Ее высота над меженным уровнем реки уменьшается вниз по течению от 6м близ плотины водохранилища до 2м в районе Новочеркасска и 0,5-0,8м-в дельте. Долина Дона разделяет территорию Ростовской области на северную и западную - более возвышенные части, и южную и юго-восточную -более низкие, что проявляется в уклоне правобережья в сторону долины Дона. Северная часть-правобережье Дона имеет более сложное геологическое строение и расчлененный рельеф (коэффициент расчленения-0,60). Южная часть- левобережье отличается более простым геологическим строением и спокойным рельефом (коэффициент расчленения-0,27).

Нижне-Донской район имеет следующие климатические характеристики: средние январская и июльская температуры воздуха возрастают от побережья Цимлянского водохранилища к устью Дона от -7,4 до-4,8 и от 23,1 до 23,6. В этом же направлении увеличивается сумма активных температур от 3277 до 3388. Аналогичным образом изменяется и годовая сумма осадков от 391 до500мм. Величина испаряемости уменьшается от Константиновска( 1032мм) как в сторону Цимлянского вдхр.(924мм), так и к устью Дона(893мм).

Водный режим характерен для южных равнинных рек. Основное питание Дона - снеговое в виде талых вод (67%), грунтовое-28%, дождевое-3-5%.

Наиболее крупными притоками в нижнем течении Дона являются Северский Донец, несущий воды с северного водосбора, Сал и Маныч, впадающие в Дон с восточной и юго-восточной стороны.

В долине Нижнего Дона и его притоков выделяются четыре надпойменные террасы и современная пойменная терраса. Отложения надпойменных террас представлены песками русловой фации и бурыми, серыми, темно-серыми глинами с прослоями песков темных болотных глин и большим количеством растительных остатков пойменной и старичной фаций. Пойма сложена различными видами аллювия, образующими следующие фации: прирусловой поймы -крупнозернистые пески мощностью до 2-Зм, центральной

5

поймы -тонкие пески, супеси, легкие горизонтально-слоистые суглинки, притеррасной поймы- тонкослоистые илы с частыми включениями растительных остатков, руслового аллювия -косослоистые пески неоднородного механического состава с грави�