Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Пути миграции тяжелых металлов в почвах парковой зоны г. Оренбурга

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Пути миграции тяжелых металлов в почвах парковой зоны г. Оренбурга"

На правое рукописи

005059212

Примак Олеся Владимировна

ПУТИ МИГРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ ПАРКОВОЙ ЗОНЫ г. ОРЕНБУРГА

Специальность 03.02.13 - Почвоведение, агрофизика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

1 6 ПАЙ

Оренбург 2013

и

005059212

Работа выполнена на кафедре общей биологии химико-биологического факультета ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

Научный руководитель -

доктор биологических наук, профессор, декан химико-биологического факультета, заведующий кафедрой общей биологии ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», г. Оренбург.

Александр Михайлович

РУСАНОВ

Официальные оппоненты:

- доктор биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник Учреждения РАН Институт биологии УНЦ РАН, г. Уфа;

СУЛЕНМАНОВ Руслан Рнмовнч

- кандидат биологических наук, доцент кафедры управления технологическими процессами в АПК Института дополнительного профессионального образования ФГОУ ВПО ОГАУ, г. Оренбург.

НОВОЖЕШІН Иван Алексеевич

Ведущая организация

ФГОУ ВПО «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова», г. Москва.

Защита состоится «31» мая 2013 года в \6 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.003.01 при ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ по адресу: 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34, ауд. 222/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Автореферат разослан 30 апреля 2013 года и размещен на официальном сайте Министерства образования и науки Российской Федерации улсту.уак.есі. gov.ru и ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ wvwv.bsau.ru.

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах с печатью организации и заверенными подписями по адресу: 450001, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34, ученому секретарю диссертационного совета

Д 220.003.01 Гайфуллину Р.Р.

п

Факс: (347) 228-08-98 Е шаіі: gavfullin@bk.ru

Учёный секретарь диссертационного совета доктор сельскохозяйственных наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В процессе глобального преобразования педосферы Земли все более важное значение приобретает урбанизация. Возрастающий рост городов приводит к интенсивному воздействию человека на окружающую среду как самого мегаполиса, так и обширных пространств вокруг него. Это приводит к потере устойчивости городских территорий к факторам экологического риска для всех компонентов окружающей среды: воздуха, растительности, почвы, воды и грунтов.

Особую тревогу вызывает накопление тяжелых металлов (ТМ) в почве как центрального и связующего звена биогеоценоза. Именно из почвы ТМ попадают и в биологические объекты, в первую очередь в растения. В микроколичествах большинство тяжелых металлов необходимы для нормального функционирования живых систем, в высоких же концентрациях и при их суммарном воздействии они становятся опасными загрязнителями природной среды (Виноградов Б.В., 1964; Прохорова Н.В. и др., 2011; Талашкина В.Д., Чуков С.Н., 2000).

В подавляющем большинстве случаев ТМ от источника загрязнения поступают в городские почвы через воздух. Уличная пыль служит носителем тяжелых металлов как техногенного (Zn, Pb, Си, Ni, Cd, Сг), так и терригенного происхождения (Fe, Мп). Рассеянные в воздухе ТМ попадают на поверхность почвы и включаются в процесс миграции (Матвеев Н.М. и др., 1997, 2007; Прохорова Н.В. и др., 1998; Хазиев Ф.Х. и др., 2000), важным этапом которого (в плане экологического состояния городских территорий) является поглощение их растениями (Серегин И.В., Кожевникова А.Д. 2005; Гиниятуллин Р.Х., 1996; Коршиков И.И., 1996; Матвеев Н.М. и др., 1997, 2007; Кулагин А.Ю. и др., 2000; Кулагин А.А., 2002; Титов А.Ф.и др, 2008). Однако для большинства регионов России, где зимний период продолжается в течение 4 и более месяцев, ТМ значительный период времени пребывают в снежном покрове; в этой связи исследование снега на наличие в нем поллютантов дает возможность прогнозировать количественные и качественные параметры загрязнения тяжелыми металлами почв городских территорий. Кроме того миграция ТМ в почве зависит как от химических свойств самих металлов, так и от свойств почвы, в первую очередь физических и химических, а также от способности произрастающей растительности к ассимиляции ТМ. Все перечисленные процессы и явления нуждаются в дополнительном изучении применительно к степной зоне Урала.

За последние годы на территории Южного Урала были выполнены исследования по изучению геохимического состояния естественных и техногенных ландшафтов, особенностей урбопедогенеза, трансформации почвенного и растительного покрова в условиях городской среды и техногенного загрязнения (Боев В.М., Воляник М.Н., 1995; Блохин Е.В., 1997; Рябинина З.Н., 1999, 2003; Чибилев А.А., 2005; Русанов A.M., 2006; Русанов А. М. и др., 2006; Климентьев А.И., Ложкин И.В., Трубин А.П. 2006 и др.). Настоящая работа является продолжением комплексных исследований по изучению закономерностей аккумуляции ТМ в почвенном покрове Оренбургского Предуралья.

Цель работы - выявить закономерности миграции ТМ в почве и аккумуляции их растениями на территории парков г. Оренбурга.

Для достижения поставленной цели были поставлены и последовательно решены следующие задачи:

1. Изучить особенности временной и пространственной динамики содержания тяжелых металлов (Zn, Си, РЬ и Cd) в снеговом покрове парковой зоны г. Оренбурга.

2. Оценить эколого-геохимическое состояние почв парков.

3. Исследовать особенности аккумуляции Zn, Си, РЬ и Cd представителями вида Populus nigra L. и провести оценку его фитомелиорирующих свойств.

4. Провести сравнительный анализ распределения и миграции тяжелых металлов в системе «атмосфера - почва - растение».

Научная новпзна работы

Впервые для Оренбургской области и г. Оренбурга проведены комплексные исследования по выявлению роли снежного покрова в загрязнении почв и растений тяжелыми металлами.

Проведено изучение биогеохимической миграции Zn, Си, РЬ и Cd в условиях г. Оренбурга; установлена тесная зависимость между тяжелыми металлами, поступающими с атмосферными осадками, и их содержанием в почве.

Выявлена зависимость особенностей миграции ТМ по почвенному профилю от гранулометрического состава урбаноземов, содержания в них гумуса и, как следствие, от скорости водопроницаемости.

Изучены особенности накопления Zn, Си, РЬ и Cd представителями вида Тополя черного (Populus nigra L.) и проведена оценка его способности к гипераккумуляции ТМ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Почвы парков г. Оренбурга испытывают техногенное воздействие, проявляющееся в увеличении содержания в них меди, цинка, свинца и кадмия.

2. Между поступлением ТМ в почву с талой водой и содержанием их в профиле почв и растениях парковой зоны существует прямая зависимость.

3. В относительно гумусированных почвах ТМ накапливаются в верхнем (0°-°20 см) слое, в почвах с содержанием гумуса ниже среднего по паркам города значения и легкого гранулометрического состава значительная часть поступающих металлов мигрируют за пределы генетического гор. А. Это явление связано с разной скоростью водопроницаемости урбаноземов, отличающихся по уровню гумусированности и гранулометрическому составу.

4. Растения вида Populus nigra L. приспособлено к накоплению в своих вегетативных органах тяжелых металлов, в связи с чем они способны выполнять фитомелиоративные функции.

Теоретическая и практическая значимость

Проведенное научное исследование расширяет представления об особенностях миграции и аккумуляции ТМ в урбоэкосистемах, оно раскрывает особенности влияния городской среды на снежный, растительный и почвенный покровы.

Полученные результаты могут быть использованы для чтения лекций и проведения практических занятий в ВУЗах г. Оренбурга при преподавании дисциплин экологического профиля.

Данные о миграции ТМ в системе «атмосферные осадки - почва - растения» могут послужить основой для организации экологического мониторинга городской

среды. Исследование состава атмосферных осадков позволит прогнозировать изменение содержания токсичных элементов в почвенном покрове г. Оренбурга и его окрестностей.

В ходе исследований выявлено, что фитомелиоративные свойства Popiilus nigra L. наиболее выражены по отношении к цинку. В этой связи целесообразно использовать Populus nigra L. в качестве маркера почвенного загрязнения, а также в озеленении города для снижения содержания цинка в почвах и его воздействия на живые организмы.

Методологии и методы исследования основаны на трудах отечественных и зарубежных ученых в области почвоведения и экологии. В основу диссертации были положены общепринятые в геохимии и почвоведении методы (ГОСТ 17.4.2.01-81, ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 17.4.3.04-85, ГОСТ 17.4.3.05-86 и др.). Определение концентрации тяжелых металлов в надземных частях растений, образцах почвы и снега поводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре. Оценка результатов проводилась по «Перечню ПДК и ОДК химических веществ в почве» (№6229-91, 1991).

Совокупность использованных статистических данных обеспечивает достоверность результатов исследования и аргументированную обоснованность теоретических выводов.

Апробация работы

Результаты работы были доложены на Всероссийской конференции студентов и молодых ученых «Актуальные проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса. Будущее АПК» (Астрахань, 2011), на Всероссийской научной конференции XV Докучаевские молодежные чтения, посвященной 150-летию со дня рождения Р.Ф. Ризположенского «Почва как природная биогеомембрана» (Санкт-Петербург, 2012), на II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные процессы в области химико-педагогического и естественно-научного образования» (Оренбург, 2012), на IX Всероссийской научной конференции с международным участием «Биологическая рекультивация и мониторинг нарушенных земель», Екатеринбург (2012) и др.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, том числе 3 в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений и содержит 156 страниц текста. Список литературы включает 193 работы, из них 41 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Представлен обзор отечественной и зарубежной литературы по особенностям поступления ТМ в окружающую среду, их миграции в таких природных объектах как снег и растения, вовлечения в процесс почвообразования и факторах миграции (Матвеев и др., 1994; 1995; Прохорова, 1996; Хазиев и др., 2000; Smith, 1981; Мамаев, 1969; Коршиков, 1996; Матвеев и др., 1997; Кулагин, 1998, Кулагин и др., 2000; Ляпкало, Гальченко, 2005; Ревич, 2004; Герасимова, Строганова, 2003; Alexandrovskii, 1997; Blum, 1997 и др.).

ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИИ РАБОТ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В главе рассмотрена физико-географическая характеристика района исследования. Дано описание экологического состояния городских территорий и основных источников загрязнения территории г. Оренбурга.

Для решения поставленных задач в период с 2010 по 2012 гг. были проведены комплексные исследования на территории парков г. Оренбурга: парк Тополя, парк им. Перовского, парк им. 50-летия СССР, парк Победы, парк им. В.°И. Ленина, парк им. 50-летия ВЛКСМ (рисунок 1). Все шесть парков расположены в контрастных условиях городской среды: в разных районах города с различной техногенной нагрузкой и составом загрязнителей. В качестве фона был выбран степной участок в непосредственной близости с лесополосой, расположенный вне влияния городской среды, в 20 км западнее г. Оренбурга.

Участки исследования: 1 - Парк Тополя , 2 - Парк им. Перовского ,3 - Парк им. 50-летия СССР , 4 - Парк Победы, 5 - Парк им. В. И. Ленина , 6 - Парк им. 50-летия ВЛКСМ.

Рисунок 1 - Карта-схема расположения парков на территории г. Оренбурга

В пределах каждого парка и фонового участка закладывали по 5 учетных площадок, с каждой из них в не менее чем 5-кратной повторности отбирали образцы снега, почвы и растительного материала.

Объектами исследований явились атмосферные осадки (снеговая вода), почвы парков (естественные слабонарушенные и урбаноземы), растения (древесная форма - Popuhis nigra L.j.

Выбор элементов для исследования процессов техногенной миграции связан с проведением предварительного анализа литературных данных, из которых стало известно, что в составе загрязнителей почвенного покрова г. Оренбурга из группы элементов, относящихся к тяжелым металлам, доминирующую роль играют медь, цинк, свинец и кадмий. Кроме этого, источниками поступления ТМ в атмосферу города является уличная пыль. Такие элементы как Zn, Cu в состав пыли городских экосистем поставляют промышленные предприятия (локомотиворемонтные, авторемонтные, машиностроительные предприятия и др.), РЬ и Cd - автотранспорт.

Многочисленными исследованиями показано, что снег обладает высокой сорбционной способностью и является индикатором загрязнения атмосферного воздуха, вод, почв и растительности. Ранее исследования по изучению особенностей залегания и загрязнения снежного на территории г. Оренбурга осуществлялись фрагментарно.

Снег отбирали на всю глубину. Образцы взвешивали и рассчитывали плотность снега и его запасы. При комнатной температуре снег растапливали, а снеговую воду анализировали по следующим показателям: рН, содержание сухого остатка, содержание ТМ и фитотоксичность снеговой воды.

Отбор почвенных образцов проводили методом «конверта» с каждого контрольного участка в соответствии с ГОСТ 17.4.2.01-81 и ГОСТ 17.4.3.01-85. Почвенные образцы анализировали по следующим показателям: гранулометрический состав, рН-водн, содержание гумуса, содержание Zn, Cu, РЬ и Cd, фитотоксичность почв и др. Непосредственно в парках определялась скорость водопроницаемости методом трубок.

Параллельно с полевым обследованием почв в местах заложения основных почвенных разрезов произведен сбор надземных частей растений (листьев и проводящих тканей ветвей). В лабораторных же условиях методом сухого озоления определяли зольность образцов и содержание в них ТМ.

Для оценки загрязнения почв тяжелыми металлами рассчитывали показатели: коэффициент концентрации химического вещества (Кс), коэффициент защитных свойств почв (Кз), коэффициент валового загрязнения ТМ (Квз), коэффициент загрязнения потенциально доступной формой элемента (Кзп).

Для установления видовой специфики растений и влияния условий их произрастания (тип почвы и её свойства) на интенсивность поглощения тяжелых металлов были использованы коэффициент биологического поглощения (КБП), коэффициент накопления элементов (КН), коэффициент усвоения элементов (КУ) (Уфимцева М.Д., Терехина Н.В. 2005; Злобина М. В., 2010).

Все результаты экспериментальных исследований были сведены в единую базу данных и обработаны методами математической статистики с определением средней арифметической величины, ошибки средней, среднеквадратического (стандартного) отклонения и др. Статистический анализ полученных данных проводили с использованием общепринятых методов и пакета прикладных программ MS Excel for Windows, «Statistica» V8 («StatSoft Inc.», США).

ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 3.1 ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АТМОСФЕРНЫХ ОСАДКОВ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ

Достоинством мониторинга загрязнения снежного по!срова является его информативность, простота отбора проб и легкость определения загрязняющих веществ, которая проводилась 1 раз в год - в период максимального накопления снега и его загрязнителей (февраль-март).

Снежный покров участков исследования характеризовался значительной временной и пространственной динамикой показателей высоты снежного покрова и запасов воды в нем, содержанием сухого остатка, значением рН талой воды и содержанием Си, Ъп, РЬ и Сс1.

Показатель высоты снежного покрова в парках г. Оренбурга варьировал в пределах от 24,4±0,05 до 15,6±0,04 см (рисунок 2). На контрольном участке исследования данный показатель составил 22,33±0,04 см.

ЕЗ Высота снега, см

в Запасы воды в снежном покрове, мм

3 4 5

Участки исследования

Примечание: I - Парк Тополя , 2 - Парк им. Перовского ,3 - Парк им. 50-летия СССР , 4 - Парк Победы, 5 - Парк им. В. И. Ленина , 6 - Парк им. 50-летия ВЛКСМ, 7 - Фоновый участок.

Рисунок 2 - Высота снега и запасы воды в снежном покрове парков г. Оренбурга (2010 2012 гг.)

530253532353905348485348485348485348485348007PU7PU7PP" P

Максимальная мощность снегового покрова наблюдалась в парке 50-летия ссср, что, возможно, связано с большей площадью парка и плотным озеленением.

Неравномерное уплотнение снега, связанное с зимними оттепелями и активной техногенной нагрузкой, объясняет отсутствие прямой зависимости запасов влаги от высоты снежного покрова. Наибольшие запасы влаги содержал снег парка 50-летия СССР и им. 50-летия ВЛКСМ (92 и 83,1 мм соответственно), наименьшие запасы - парк Тополя 47,7±0,04 мм. Значение показателя на контрольном участке составило 89,1±0,01 мм.

Талая снеговая вода на изученных участках отличалась по показателям рН, которые в период исследований варьировали в интервале 6,9-7,8, т.е. от нейтральной до слабо щелочной, с показателем 6,5 на фоновом участке (нейтральная). По значению данного показателя все участки исследования можно расположить в следующей последовательности: Фон (6,5) < Парк Тополя (6,9) < Парк им. 50-летия ВЛКСМ (7,1) < Парк им. 50-летия СССР (7,4) < Парк им. Перовского (7,5) < Парк Победы = Парк им. В. И. Ленина (7,8).

О величине загрязнения атмосферного воздуха можно косвенно судить по значению сухого остатка снеговой воды. Величина сухого остатка для парков г.Оренбурга варьировала от 21,5 мг/л до 61 мг/л, а ее среднее значение составило 40,9 мг/л. Самым низким показателем содержания сухого остатка характеризовался снежный покров парка им. 50-летия ВЛКСМ (21,5 мг/л), а максимальное значение этого показателя наблюдалось в парке им. В.И. Ленина (51,9 мг/л) и Победы (61 мг/л).

Проведенный статистический анализ данных рН снеговой воды и содержания сухого остатка выявил достоверную корреляционную связь между этими показателями (г = +0,7).

Следует отметить, что повышение рН снеговой воды в условиях городской среды обусловлено поступлением в атмосферу щелочных продуктов, среди которых важное место, как правило, занимают пылевидные загрязнители и продукты разрушения железобетонных конструкций и зданий. Максимальное значение рН и величины сухого остатка, выявленное на территории парков им. В,°И. Ленина, Победы и им. Перовского, объясняется их расположением в исторической части города, где процесс разрушения обветшалых зданий сменяется их реконструкцией.

Для оценки содержания ТМ в талой воде были использованы нормативы для воды объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ГН 2.1.5.1315-03; ГН 2.1.5.2280-07).

Проведенные исследования показали (таблица 1), что в талой воде наблюдается превышение показателей ПДК тяжелых металлов по кадмию и свинцу. Превышение по РЬ наблюдается в парках Тополя, Перовского, им. 50-летия СССР, Победы, а по Сс1 во всех парках города, что объясняется близостью парков с автодорогами с высокой интенсивностью движения, т.к. автотранспорт является главным поставщиком этих элементов.

По остальным металлам этот показатель не выходил за пределы нормы. Парки по увеличению суммарного содержания ТМ в талой воде образуют следующий ряд: Фон < Парк им. 50-летия СССР < Парк им. 50-летия ВЛКСМ < Парк им. В. И. Ленина < Парк Победы < Парк Тополя < Парк Перовского.

Таблица 1 - Содержание ТМ в снеговой воде

Парки Содержание элемента, мг/л

Си Ъп РЬ Сс)

пдк 1 мг/л пдк 1 мг/л пдк 0,03мг/л пдк 0,001 мг/'л

Парк Тополя 0,027±0,02 0.02±0.026 5,1±0,011 0,021±0,02

Парк Перовского 0,0054±0,008 0,03±0,6 7,75±0,02 0,023±0,006

Парк им. 50-летия СССР 0,009±0,03 0.026±0,05 0,025±0,009 0,01±0,001

Парк Победы 0.0053+0.005 0,04±0,001 ОЛ01±0,006 0,03±0,003

Парк им. В. И. Ленина 0.051±0.03 0,013±0,04 0.02±0,03 0,042±0,06

Парк им. 50-летия ВЛКСМ 0,00б±0,007 0,015±0,09 0,01±0,003 0,01±0,003

Фон - 0,005±0,006 0.01±0.09 0.001±0.003

Оценка структуры загрязнения талой воды показала, что для парков Тополя, Перовского, Победы и фонового участка большая часть загрязнения обусловлена наличием свинца (рисунок 3).

I 00° о

90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

Я Си шэ Р Ъ

£32,п

а см

3 4 5 б

Участки исследования

Примечание: 1 - Парк Тополя , 2 - Парк им. Перовского ,3 - Парк им. 50-летия СССР , 4 - Парк Победы, 5 - Парк им. В. И. Ленина, 6 - Парк им. 50-летия ВЛКСМ, 7 - Фоновый участок.

Рисунок 3 - Структура загрязнения талой воды участков исследования

В снежном покрове, отобранном с территории парка им. В. И. Ленина, в составе загрязнителей увеличивается доля меди и кадмия, а парков им. 50-летия СССР и им. 50-летия ВЛКСМ растет доля цинка и кадмия.

Исследование фитотоксичности снеговой воды показало отсутствие выраженного подавления прорастания семян Avena spp.

3.2 ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ НА МИГРАЦИЮ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Почвенный покров участков исследования представлен зональным подтипом почв - черноземом южным, с разной степенью карбонатности, солонцеватости и антропогенной нарушенности, и его техногенными модификациями урбаноземами.

Доступность солей ТМ растениям и микроорганизмам определяется комплексом почвенных свойств, таких как гранулометрический состав, содержание органического вещества, величина рН почвенного раствора и др.

Преобладание в почвенной массе фракции физической глины обуславливает поглощение тяжелых металлов глинистыми минералами и их переход в недоступную форму. Изучение гранулометрического состава почв парков г. Оренбурга показало, что он изменяется от легкосуглинистого до тяжелосуглинистого и глинистого.

Глинистым гранулометрическим составом в верхнем корнеобитаемом слое почвы (0-20 см) характеризовались почвы парка им. Перовского и 50-летия ВЛКСМ. Почвы парка Тополя и фоновый по гранулометрическому составу относятся к тяжелым суглинкам, им. В. И. Ленина - средним суглинкам. Легкосуглинистый гранулометрический состав был характерен для почвенного покрова парков 50-летия СССР и Победы. Нижележащие слои почвы (0-40 см) для всех участков исследования характеризовались тяжелосуглинистым гранулометрическим составом. Для показателя гранулометрического состава почв парков характерна ярко выраженная пространственная динамика, что связано с особенностями урбопедогенеза (турбациями почвенного профиля, аэральным переносом и др.).

Основные химические и водно-физические свойства почв парков представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Некоторые химические п водно-фшпческие свойства почв

парков г. Оренбурга (среднее значения за 2010-2012 гг.)

Парк Гумус,% Сгк/'Сфк Карбонаты, % рН-водн Водопрон ицаемость, мм/чае

Тополя 3,5±0,002 1,3 2,1±0,003 7,8±0,002 165±0,001

им. Перовского 3,7±0,001 1,5 2,7±0,002 8±0,001 70±0,002

им. 50-летия СССР 2,4±0,001 0,9 3,6±0,001 8,2±0,001 237±0,002

Победы 2,9±0,003 1,1 3,2±0,002 8,4±0,001 354±0,002

им. В. И. Ленина 4,9±0,001 1,4 1,1±0,001 7,8±0,003 220±0,001

им. 50-летия ВЛКСМ 3,8±0,001 1,2 4,2±0,004 8,3±0,001 63±0,001

ФОН 4,2±0,002 2,1 0,9±0,001 7,4±0,004 510±0,001

Органическое вещество почв и в первую очередь гумусовые кислоты способны связывать соли тяжелых металлов в стабильные комплексные соединения и тем самым переводят их в недоступную для растений форму. Содержание гумуса в почвах парков варьировало от 4,9 % до 2,4 % и характеризовалось как среднее и низкое (Орлов Д.С., 2005).

По содержанию гумуса в почвах парки образуют следующий ряд (в порядке убывания): Парк им. В. И. Ленина > Фон > Парк им. 50-летия ВЛКСМ > Парк им. Перовского >Парк Тополя> Парк Победы> Парк им. 50-летия СССР.

Превышение содержания органического вещества в почвах парка им. В.°И.°Ленина в сравнении с фоновым участком объясняется наличием в почве нефтепродуктов, которые были обнаружены в ходе совместного исследования почвенного покрова г. Оренбурга комплексной аналитической лабораторией ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Оренбургской области» и сотрудников Оренбургского государственного университета.

Важным качественным показателем гумусного состояния почв является глубина гумификации (Сгк/Сфк). Гуматным типом гумуса и максимальным значением этого показателя (2,1) характеризовались почвы фонового участка. На территории города фульватно-гуматным типом гумуса характеризовались почвы парков Тополя, им. Перовского, Победы, им. В. И. Ленина и им. 50-летия ВЛКСМ (Сгк/Сфк = 1,1 - 1,5). И только почвы участка парка им. 50-летия СССР характеризовались гуматно-фульватным типом гумуса (Сгк/Сфк =0,9)

Наличие карбонатов в почвах и значение показателя рН почвенного раствора, варьирующее от нейтральных до щелочных значений, обусловлено карбонатностью подстилающих пород - пермских карбонатных глин и наличием строительного мусора. Значение рН почвенного раствора на всех изученных участках значительно превышало аналогичный показатель на фоновом, что связано с большей аридностью мезоклиматических условий на территории города и недостаточным атмосферным увлажнением, на фоне которого непромывной водный режим обуславливает передвижение карбонатов и легкорастворимых солей к поверхности почв и аккумуляцию загрязнителей в верхнем слое почвенного тела. Так максимальное содержание карбонатов наблюдалось в почвах парка им. 50-летия ВЛКСМ (4,2 %), им. 50-летия СССР (3,6 %) и Победы (3,2 %), которые характеризуются и наибольшими значениями рН почвенного раствора. Реакция среды почвенного раствора на изученных участках варьировала от слабощелочной (фоновый участок) до щелочной (все парки города). Зависимость реакции среды почвенного раствора от содержания карбонатов в почвах парков г. Оренбурга описывается следующим уравнением регрессии:

у = 7,5 + 0,19 * х, при р< 0,05, и R2= 0,72.

Для показателей содержания карбонатов и рН почв было характерно значительное варьирование в течение года, которое объясняется вымыванием карбонатов в периоды сезонного атмосферного увлажнения (весеннего и осеннего) и интенсивной миграцией вверх по почвенному профилю в течение всего вегетационного периода с максимумом содержания в августе-сентябре.

Скорость водопроницаемости почв на фоновом участке по шкале Качинского°Н.А. характеризовалась как избыточно высокая и составила 510 мм/час. На территории парков Тополя, им. 50-летия СССР, Победы и им. В.И.°Ленина она характеризовалась как наилучшая (165 - 354 мм/час), а парков им. Перовского и им. 50-летия ВЛКСМ как удовлетворительная (63-70 мм/час).

Содержание валовых и подвижных форм ТМ в почвах парков г. Оренбурга по ряду элементам превышало показатели ПДК (или ОДК)) (рисунок 4, 5).

По содержанию подвижных форм ТМ парки города образуют следующий ряд (по увеличению концентрации): Фон (12,1 мг/кг) < Парк Победы (13,6 мг/кг) < Парк им. 50-летия СССР (18,1 мг/кг) < Парк им. В. И. Ленина (26,9 мг/кг) < Парк Тополя (30,6 мг/кг) < Парк им. Перовского (40,4 мг/кг)< Парк им. 50-летия ВЛКСМ (40,5 мг/кг).

Подвижность тяжелых металлов в почвах изменялась в зависимости от времени и участка отбора образцов. По среднему значению показателя содержания подвижной формы элемента в почве металлы образуют следующую последовательность 7л\ > РЬ > Си > Сс1.

летня СССР , 4 - Парк Победы. 5 - Парк им. В. И. Ленина , 6 - Парк им. 50-летия ВЛКСМ, 7 - Фоновый участок.

Рисунок 4, 5 - Содержание подвижных и валовых форм ТМ в почвах парков г. Оренбурга

По суммарному содержанию валовых форм ТМ в почве парки города можно ранжировать в следующем порядке: Фон (93.6 мг/кг) < Парк им. В. И. Ленина (233,9 мг/кг) < Парк им. 50-легия ВЛКСМ (254,5 мг/кг) < Парк Тополя (260,7 мг/кг) < Парк Победы (269,9 мг/кг) < Парк им. Перовского (355,6 мг/кг) < Парк им. 50-летия СССР (394,6 мг/кг).

Среднее содержание ТМ в почвах парков составило 27,8 мг/кг для подвижных форм и 294,8 мг/кг для валовых. Значение содержания ТМ, превышающее среднее по паркам города, наблюдалось на территории парка Тополя, им. Перовского и 50-летия ВЛКСМ для подвижных, парков им. 50-летия СССР и им. Перовского для валовых форм.

Значение показателя загрязнения почв потенциально-доступной формой ТМ превышало среднее значение по паркам города (10,05) в парке им. 50-летия ВЛКСМ 15, в парке им. Перовского 14,1.

Результаты определения фитотоксичносги почв парков представлены на рисунке 6.

■1:2*]

-1СС

1 6(1

в

ш «

20

о

Рисунок 6 — Значение фитотоксичносги почв участков исследования

Изучение фитотоксичносги почв показало, что почвы всех участков исследования подавляли рост тест-культуры. На основании полученных результатов все парки по увеличению данного показателя можно расположить в таком порядке: Фон < Парк Победы < Парк им. 50-летия СССР < Парк им. В. И. Ленина < Парк Тополя< Парк им. Перовского< Парк им. 50-летия ВЛКСМ.

Для оценки степени загрязненности почв и возможной транслокации металлов в растения используют коэффициент подвижности ТМ. Проведенные расчеты показали, что превышение среднего значения коэффициента подвижности по паркам города наблюдалось на участках парков Победы, им. В. И. Ленина и Тополя (0,9 и ,97) и им. 50-летия ВЛКСМ (1,08).

3.3 ВЛИЯНИЕ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ НА ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗЕЛЕНЫХ НАСАЖДЕНИЙ

На растительные организмы в условиях городской среды оказывает влияние целый комплекс факторов, важное место среди которых занимает техногенное загрязнение. Многочисленными исследованиями показана аккумулятивная.

1 1 ^

_ _

г_|......

—-1 ¡_1

1

1 2 3 4 5 в 7

Утаспн. шсшшкшяя

перераспределяющая и защитная роль зеленых насаждений в отношении тяжелых металлов, которые выступают в качестве барьера на пути их распространения.

Зеленые насаждения существенно различаются по особенностям произрастания в условиях выраженного техногенного пресса. С неоднородностью микро- и мезоклиматических, почвенных и техногенных факторов связана широкая вариабельность показателя зольности листьев и побегов 1-2 года у растений вида Populus nigra L. (рисунок 7).

Рисунок 7 — Зольность листьев и побегов Populus nigra L., произрастающих в парках г. Оренбурга

По показателю зольности листьев растения - биоиндикатора Populus nigra L. -парки образуют следующую последовательность: Фон < Парк Тополя < Парк им. Перовского < Парк им. 50-летия ВЛКСМ < Парк им. 50-летия СССР <Парк им. В. И. Ленина < Парк Победы. Одновременно по зольности побегов Populus nigra L. парки образуют несколько иной ряд: Фон < Парк Тополя < Парк Победы < Парк им. Перовского < Парк им. 50-летия ВЛКСМ < Парк им. 50-летия СССР < Парк им. В.И. Ленина.

Расчет концентрации тяжелых металлов в сухой массе листьев Populus nigra был произведен с учетом зольности и представлен в таблице 3.

Максимальная концентрация цинка в листьях растений наблюдалась не зависимо от участка исследования и все элементы по показателю средней по паркам концентрации элементов образуют ряд (в порядке увеличения концентрации): Cd (0,061 мг/кг) < РЬ (0,28 мг/кг) < Си (0,64 мг/кг) < Zn (9,02 мг/кг).

Парк им. В.И. Ленина характеризовался превышением средней по паркам концентрации кадмия, парки Тополя и Перовского - меди, парк им. 50-летия ВЛКСМ - кадмия и цинка, парк им. 50-летия СССР - цинка, меди и кадмия и парк Победы - кадмия, свинца и меди.

По суммарному содержанию ТМ в сухой массе листьев растений все парки образуют ряд: Фон (1,76 мг/кг) < Парк Тополя (4,43 мг/кг) < Парк им. Перовского (4,69 мг/кг) < Парк им. В. И. Ленина (7,64 мг/кг) <Парк Победы (8,8 мг/кг) < Парк им. 50-летия ВЛКСМ (10,41 мг/кг)< Парк им. 50-летия СССР (24,07 мг/кг).

Таблица 3 - Концентрация тяжелых металлов в листьях Populus nigra,

мг/кг сухой массы

Участки исследования Концентрация элементов в листьях, мг/кг сухой массы

Си Zn РЬ Cd

Парк Тополя 0.69 3,45 0.27 0,016

Парк Перовского 0.79 3.64 0.24 0,018

Парк им. 50-летия СССР 0,64 23,1 0,25 0,08

Парк Победы 0,65 7,6 0,48 0.07

Парк им. В. И. Ленина 0.57 6,73 0,23 0,11

Парк им. 50-летия ВЛКСМ 0,52 9,6 0.22 0,07

Фон 0,15 1,42 0,12 0.07

Результаты расчетов основных геохимических показателей аккумуляции тяжелых металлов растениями вида Populus nigra L. представлены в таблице 4.

Расчет коэффициента биологического поглощения (КБП) элементов растением свидетельствует о том, что цинк и кадмий являются для Populus nigra элементами среднего захвата с варьированием КБП от 0,08 до 0,95 для Zn и от 0,06 до 0,48 для Cd. Судя по аналогичным показателям для РЬ и Си, их активного поглощения не наблюдалось и они могут быть отнесены к элементам слабого и очень слабого захвата.

Таблица 4 - Значеппе КБП, КН и КУ для растений вида Populus nigra L.

Участки исследования Си Zn РЬ Cd

КБН КН КУ КБН КН КУ КБН КН КУ КБ II КН КУ

Парк Тополя 0,11 0,02 0,97 0,12 0,02 1,48 0,02 0,003 0,09 0,06 0,01 0,31

Парк Перовског о 0,08 0,02 0,52 0,08 0,02 0,79 0,01 0,003 0,13 0,06 0,01 0,11

Парк им. 50-летия СССР 0,02 0,01 0,76 0,95 0,23 11,18 0,006 0,001 0,19 0,19 0,05 0,33

Парк Победы 0,02 0,01 0,86 0,76 0,21 5,93 0,014 0,004 0,30 0,28 0,08 0,42

Парк им. В. II. Ленина 0,05 0,01 0,44 0,63 0,16 1,95 0,006 0,002 0,12 0,48 0,13 1,05

Парк им. 50-летня ВЛКСМ 0,05 0,01 0,31 0,44 0,1 2,22 0,009 0,002 0,07 0,16 0,035 0,29

Фон 0,04 0,01 0,5 0Д9 0,04 2,3 0,02 0,003 0,16 0,32 0,05 1,6

Оценка БКП: элементы энергичного накопления КБП 10-100; элементы сильного накопления КБП 1-10; элементы среднего захвата 0,1-1; элементы слабого и очень слабого захвата - менее 0,1.

Однако на участке парка Тополя КБП для меди характеризует его как элемент среднего захвата (0,11)- Показатель коэффициента накопления (КН) и усвоения (КУ) элементов имел сходную с КБП динамику.

Коэффициент усвоения, отражающий зависимость концентрации элементов в золе растений от содержания его подвижной формы в почве, наиболее точно отражает миграцию тяжелых металлов из почвы в растения. Для цинка и меди он принимал максимальные значения (11,18 для цинка и 1,6 для кадмия). По среднему значению КУ элементы образуют следующий ряд: РЬ (0,15) < С(1 (0,58) < Си (0,62) < 7,п (3,7). По значению коэффициента накопления все элементы образуют следующий ряд: РЬ (0,003) < Си (0,013) < са (0,05) <гп (0,11).

3.4 ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ МЕДИ, ЦИНКА, СВИНЦА И

КАДМИЯ В СИСТЕМЕ «АТМОСФЕРА - ПОЧВА - РАСТЕНИЕ»

Статистическая обработка полученных результатов позволила выявить взаимосвязь между параметрами снежного, почвенного и растительного покровов.

Содержание подвижных форм цинка и меди имело обратную зависимость с высотой снега, что объясняется способностью нисходящих потоков влаги вымывать подвижные формы элементов, и описывается следующими уравнениями регрессии:

у = 1,58 - 0,05*х, при р< 0,05 и Я2= 0,64 ( для цинка) и у = 4,98 - 0,18*х, при р< 0,05 и К2= 0,67 ( для меди).

Корреляционный анализ результатов позволил выявить положительную зависимость содержания в почвах подвижной (г=+0,51) и валовой формы тяжелых металлов (г=+0,74) с показателем суммарного загрязнения снежного покрова ТМ.

Исследование зависимости аккумуляции ТМ в корнеобитаемом слое почв (0-20 см) показало зависимость концентрации их подвижных и валовых форм от гранулометрического состава, количества и качества органического вещества почв и скорости водопроницаемости (таблица 5).

Таблица 5 - Коэффициенты корреляции между основными свойствами

почв и содержанием в них тяжелых металлов.

Показатели Содержание подвижной формы ТМ Содержание валовой формы ТМ

Содержание фракции физической глины +0,82 +0,96

Содержание органического вещества в почвах. "!о +0.87 +0,81

Сгк/Сфк +0,64 +0,63

Скорость водопроницаемости, мм/час -0,98 -0,82

Прослеживается достоверная связь между показателями фитотоксичности почвы и скорости водопроницаемости, что связано со способностью нисходящих

потоков влаги вымывать подвижные формы ТМ. Эта зависимость описывается уравнением регрессии :

у = 108,9 - 0,19*х, при р< 0,05 и R2= 0,93.

Изучение зависимости фитотоксичности почв от содержания в ней тяжелых металлов показало наличие достоверной связи с содержанием в почвах подвижных форм тяжелых металлов. Эта зависимость описывается уравнением регрессии :

у = 22,9+17,9 *х, при р< 0,05 и R2= 0,94.

Зависимости фитотоксичности от содержания в почве валовых форм методами математической статистики выявлено не было, что объясняется тем фактом, что не весь пул находящихся в почве элементов переходит в мобильную форму и участвует в питании растений. Лишь часть общего (валового) запаса активно переходит в почвенный раствор и вовлекается в процессы ассимиляции.

Влияние почвенных свойств на подвижность элементов особенно ярко проявляется по отношению к содержанию гумуса, так зависимость коэффициента усвоения цинка Populus nigra L. от содержания гумуса имеет следующий вид:

у = 3,96 - 0,014*х, при р< 0,05 и R2= 0,88.

Так увеличение его содержания в почвах снижало способность Popuhts nigra к аккумуляции цинка (г = -0,75) и свинца (г=-0,45), что объясняется процессами связывания тяжелых металлов гумусовыми кислотами в недоступные для растений комплексные соединения, по типу хелатов.

Показатель глубины гумификации характеризуется наличием положительной корреляционной связи с концентрацией в почвах подвижных форм свинца и цинка (коэффициенты корреляции составили 0,6 и 0,71 соответственно).

На участках почв с наибольшими значениями содержания гумуса и тяжелым, тяжелосуглинистым и глинистым гранулометрическим составом наблюдалась аккумуляция ТМ в верхнем слое почвы. Облегчение механического состава, снижение содержания органического вещества в почвах и, как результат, увеличение скорости водопроницаемости объясняет миграцию различных форм ТМ и их аккумуляцию в нижележащих слоях почвенного профиля.

Выводы:

1. Снеговой покров парков г. Оренбурга активно концентрирует тяжелые металлы техногенного происхождения (Pb, Cd), на что указывают превышения ПДК по кадмию на территории всех изученных парков, а по свинцу - парков Тополя, Перовского, им. 50- лет СССР и Победы. Весь период исследований максимальное полиметаллическое загрязнение снегового покрова было характерно для парков Тополя, Перовского и Победы. Снеговая вода изучаемых городских парков весь период исследований характеризовалась нейтральной (6,5) и слабощелочной реакцией (7,8), более высоким по сравнению с контролем содержанием сухого остатка и нейтральным или стимулирующим влиянием на прорастание семян и рост проростков растения-биоиндикатора. Структура

загрязнения талой воды представлена следующим рядом: РЬ (97,1%) > Zn (1,1%) > Си (0,8%) > Cd (1%).

2. Период исследования (2010-2012 гг.) характеризовался пространственной и временной динамикой основных химических и водно-физических свойств почв (гранулометрического состава, рН, содержания гумуса и карбонатов, скорости водопроницаемости). Значительная динамика была характерна для показателей содержания подвижных и валовых форм тяжелых металлов, значения которых не превышали ПДК. Наибольший вклад в суммарное загрязнение почв парков вносят цинк и свинец, что связано с особенностями городской среды.

3. Содержание в почвах тяжелых металлов зависит от гранулометрического состава, качественно-количественного состава органического вещества и скорости водопроницаемости почв. Максимальное загрязнение ТМ наблюдается на участках с тяжелым гранулометрическим составом почв, содержанием гумуса выше среднего по паркам значения (3,5 %) и удовлетворительной скоростью водопроницаемости.

4. Среднее содержание ТМ в почвах парков составило 27,8 мг/кг для подвижных форм и 294,8 мг/кг для валовых. Значение содержания ТМ, превышающее среднее по паркам города, наблюдалось на территории парка Тополя, им. Перовского и 50-летия ВЛКСМ для подвюкных, парков им. 50-летия СССР и им. Перовского для валовых форм. По содержанию подвижных форм ТМ парки города образуют следующий ряд (по увеличению концентрации): Фон (12,1 мг/кг ) < Парк Победы (13,6 мг/кг) < Парк им. 50-летия СССР ( 18,1 мг/кг) < Парк им. В. И. Ленина (26,9 мг/кг) < Парк Тополя (30,6 мг/кг) < Парк им. Перовского (40,4 мг/кг)< Парк им. 50-легия ВЛКСМ (40,5 мг/кг). Аналогичный ряд по содержанию валовых форм тяжелых металлов несколько отличается: Фон (93,6 мг/кг) <Парк им. В. И. Ленина (233,9 мг/кг) < Парк им. 50-легия ВЛКСМ (254,5 мг/кг) <Парк Тополя (260,7 мг/кг) < Парк Победы (269,9 мг/кг) < Парк им. Перовского (355,6 мг/кг) < Парк им. 50-летия СССР (394,6 мг/кг).

5. Максимальная способность представителей Populiis nigra L. к аккумуляции ТМ проявилась на участке с наименьшим суммарным загрязнением почв. В условиях города Оренбурга для Populus nigra L. было отмечено повышенное поступление цинка, что, вероятно, связано с физиологическими особенностями вида и его способностью к аккумуляции металла.

6. Детальный корреляционный и регрессионный анализ всех изученных параметров позволил выявить взаимосвязь между степенью загрязнения снежного покрова, почв и растительности. Распределение элементов в компонентах природной среды зависят от таких факторов как естественное фоновое содержание тяжелых металлов, преобладающие аэральные потоки загрязняющих веществ (пыль, аэрозоли) и видовые особенности растений.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПЕЧАТНЫХ РАБОТАХ

Работы, опубликованные в рекомендованных ВАК журналах:

1. Примак О.В., Анилова Л.В. Эколого-геохимические особенности снежного покрова парков г. Оренбурга // Вестник Оренбургского государственного университета. 2011. № 12 (131). СЛ68-169.

2. Примак О.В., Анилова JI.B., Сальникова Е.В., Шарыгина М.В. Перспективы фиторемедиации почвенного покрова урбанизированных территорий (на примере г. Оренбурга) // Вестник Оренбургского государственного университета. 2012. № 6 (142). С. 82-85.

3. Примак О.В., Васильева Т.Н., Анилова J1.B. Аккумуляция тяжелых металлов растениями - типичными представителями флоры г. Оренбурга'/ Известия ОГАУ. 2013. №2. С. 223-225.

Другие публикации:

4. Примак О.В., Анилова JI.B., Ермакова О.Ю. Геохимические особенности почвенного покрова парков г. Оренбурга // Материалы седьмой всероссийской конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса. Будущее АПК»: Астрахань: ООО «Техноград», 2011. С. 109-111.

5. Примак О.В., Анилова JI.B. Геохимические особенности почвенного и растительного покровов парков города Оренбурга // Материалы Международной научной конференции: XV Докучаевские молодежные чтения «Почва как природная биогеомембрана». Санкт-Петербург. 2012. Кн. 2. С. 256-257.

6. Примак О.В., Сальникова Е.В., Мальцева Ю.С., Анилова Л.В., Арисова Е.А. Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях парковой зоны г. Оренбурга // Материалы II Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные процессы в области химико-педагогического и естественнонаучного образования». Оренбург: Изд-во ОГГТУ, 2012. С. 243-245.

7. Примак О.В. Проведение экологического мониторинга снежного покрова в условиях городской среды //Материалы Всероссийской конференции (с международным участием) «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры». Оренбург. 2013. С 1186- 1189.

Подписано в печать 29.04.2013 г. i

Формат 60x84 / . Бумага писчая. Цена свободная. Усл. печ. листов 1,0. Тираж 100. Заказ 69.

ООО ИПК «Университет» 460007, г. Оренбург, ул. М. Джалиля, 6. E-mail: ipk universitet@mail.ru Тел./факс: (3532) 90-00-26

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Примак, Олеся Владимировна, Оренбург

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Примак Олеся Владимировна

ПУТИ МИГРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ ПАРКОВОЙ ЗОНЫ г. ОРЕНБУРГА

03.02.13 - почвоведение Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

А.М. Русанов

Оренбург, 2013 г.

Содержание

Вве, цение...................................................................................... 4

1 Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (литературный обзор)................................................................................... 9

1.1 Источники поступления тяжелых металлов в почвы городских территорий........................................................................... 9

1.2 Тяжелые металлы в почвах и факторы, влияющие на их миграцию............................................................................ 13

1.3 Мониторинг загрязнения почвенного и растительного покровов тяжелыми металлами............................................................... 19

1.4 Фиторемедиация почв, загрязненных тяжелыми металлами............. 22

2 Природные условия территории работ, объекты и методы исследования........................................................................ 33

2.1 Природные условия района исследования..................................... 33

2.2 Общая характеристика участков исследования............................ 46

2.3 Методы исследования............................................................ 49

3 Геохимические особенности атмосферных осадков в условиях городской среды.................................................................. 65

3.1 Динамика высоты снежного покрова и запасов воды...................... 65

3.2 Влияние атмосферного загрязнения на некоторые химические показатели снежного покрова.................................................... 72

3.3 Аккумуляция тяжелых металлов в снежном покрове парков г. Оренбурга............................................................................ 76

3.4 Интегральная оценка загрязнения снежного покрова....................... 81

4 Эколого-геохимические особенности парковых почв г. Оренбурга... 83

4.1 Гранулометрический состав почв парков города........................... 83

4.2 Некоторые химические и водно-физические свойства почв участков исследования....................................................................... 86

4.3 Загрязнение почв парков подвижными и валовыми формами тяжелых металлов.............................................................................. 91

4.4 Показатели экологического состояния почв участков исследования... 112

4.5 Фитотоксичность почв парков города Оренбурга........................... 117

5 Влияние городской среды на геохимические особенности зеленых насаждений........................................................................... 121

6 Особенности миграции тяжелых металлов в системе «атмосфера-почва—растение» .......................................................................................... 129

Зак: пючение................................................................................. 133

Спи [сок использованной литературы................................................. 135

Приложение А Динамика валовых выбросов по области........................ 155

Приложение Б Перечень предприятий — основных источников загрязнения атмосферного воздуха с указанием объемов валовых выбросов загрязняющих веществ за 2010-2011 гг................................. 156

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В процессе глобального преобразования педосферы Земли все более важное значение приобретает урбанизация. Возрастающий рост городов приводит к интенсивному воздействию человека на окружающую среду как самого мегаполиса, так и обширных пространств вокруг него. Это приводит к потере устойчивости территорий, увеличению абиотичности системы, повышению степени экологического риска для всех компонентов окружающей среды: воздуха, растительности, почвы, воды и грунтов.

Особую тревогу вызывает накопление тяжелых металлов (ТМ) в различных средах, в частности в почве и растениях. В макроколичествах большинство из тяжелых металлов необходимы для нормального функционирования живых организмов, в высоких же концентрациях и при суммарном воздействии они становятся опасными загрязнителями природной среды (Виноградов Б.В., 1964; Прохорова Н.В. и др., 2011; Талашкина В.Д., Чуков С.Н., 2000) [14, 113, 134].

В настоящее время для многих крупных городов мира установлено, что тяжелые металлы поступают в почву в основном из воздуха. На территории городов наибольшее внимание привлекает загрязнение такими элементами, как РЬ, Аб, Си, 7л\, Сс1, №. Уличная пыль служит носителем тяжелых металлов как техногенного {Ъп, РЬ, Си, №, Сё, Сг), так и терригенного происхождения (Бе, Мп). Некоторые из этих элементов могут быть токсичными, другие - являются физиологически необходимыми.

Техногенно рассеянные тяжелые металлы попадают на поверхность почвы, включаются в почвообразовательный процесс (Матвеев Н.М. и др., 1997, 2007; Прохорова Н.В. и др., 1998; Хазиев Ф.Х. и др., 2000), поглощаются растениями (Серегин И.В., Кожевникова А.Д. 2005; Гиниятуллин Р.Х., 1996; Коршиков И.И., 1996; Матвеев Н.М. и др., 1997, 2007; Кулагин А.Ю. и др., 2000; Кулагин А.А.,

2002; Титов А.Ф.и др, 2008) и поступают в пищевые цепи [89, 90, 114, 126, 143, 28, 69, 76, 77, 137].

В последние годы во многих крупных городах и промышленных центрах проводились биогеохимические и биоиндикационные исследования. Они имели самую различную направленность: изучалось содержание тяжелых металлов и других загрязняющих веществ в различных компонентах биосферы (Москаленко Н.Н., Смирнова P.C. 1989; Строганова М.Н., 1997; Бортник JI.H., Черванев А.И., 1996), апробировались различные методы индикации загрязнения (Скарлыгина-Уфимцева М.Д., 1980; Добровольский В.В., 2004, 2006; Столяренкова З.Н., Кукушкин C.B., 1988) и др. [93, 132, 10, 128, 47, 46, 130].

За последние годы на территории Южного Урала были выполнены исследования по изучению геохимического состояния естественных и техногенных ландшафтов, особенностей урбопедогенеза, трансформации растительного покрова в условиях городской среды и техногенного загрязнения (Боев В.М., Воляник М.Н., 1995; Блохин Е.В., 1997; Рябинина З.Н., 1999, 2003; Чибилев А.А., 2005; Русанов A.M., 2006; Климентьев А.И., Ложкин И.В., Трубин А.П. 2006 и др.) [8, 9, 27, 60, 117, 118, 120, 121]. Наша работа является продолжением комплексных исследований по изучению закономерностей аккумуляции ТМ в растительном и почвенном покрове Оренбургского Предуралья.

Цель работы - выявить закономерности миграции и аккумуляции тяжелых металлов в системе «атмосфера - почва - растение» на территории парков г. ° Оренбурга.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучить особенности временной и пространственной динамики содержания ТМ (Zn, Си, РЬ и Cd) в снеговом покрове парковой зоны г. Оренбурга.

2. Оценить эколого-геохимическое состояние почв парков.

3. Исследовать особенности аккумуляции Zn, Си, РЬ и Cd представителями вида Populus nigra L. и провести оценку его фитомелиорирующих свойств.

4. Провести сравнительный анализ распределения и миграции тяжелых металлов в системе «атмосфера - почва - растение».

Научная новизна работы

Впервые для Оренбургской области и г. Оренбурга проведены комплексные исследования роли снежного покрова в загрязнении почв и растений тяжелыми металлами.

Проведено изучение биогеохимической миграции Zn, Си, РЬ и Cd в условиях г. Оренбурга; установлена тесная зависимость между содержанием ТМ в почве и количеством его, поступающим с атмосферными осадками; изучены особенности накопления Zn, Си, РЬ и Cd представителями вида Populus nigra L. и проведена оценка его способности к гипераккумуляции ТМ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Существенным источником поступления токсичных элементов в почвы г. Оренбурга являются промышленные предприятия и автомобильный транспорт.

2. Почвы парков г. Оренбурга испытывают техногенное воздействие, проявляющееся в увеличении содержания в них меди, цинка, свинца и кадмия.

3. Зависимость между поступлением ТМ с атмосферными осадками и содержанием его в почвах и растениях парковой зоны.

4. Видовые особенности Populus nigra L. в накоплении тяжелых металлов.

5. Закономерности аккумуляции и миграции ТМ в снежном, растительном и почвенном покрове урбанизированных территорий.

Теоретическая и практическая значимость

Проведенное научное исследование расширяет представления об особенностях миграции и аккумуляции ТМ в урбоэкосистемах, оно раскрывает особенности влияния городской среды на снежный, растительный и почвенный покровы.

Полученные результаты могут быть использованы для чтения лекций и проведения практических занятий в ВУЗах г. Оренбурга при преподавании дисциплин экологического профиля.

Данные о миграции ТМ в системе «атмосферные осадки - почва - растение» могут послужить основой для организации мониторинга городской среды. Исследование состава атмосферных осадков позволит прогнозировать изменение содержания токсичных элементов в почвенном покрове г. Оренбурга и его окрестностей.

В ходе исследований выявлено^ что фитомелиоративные свойства Populus nigra L. наиболее выражены по отношении к цинку. Рекомендуем использовать Populus nigra L. в качестве маркера почвенного загрязнения, а также в озеленении города для снижения содержания цинка в почвах и его воздействия на живые организмы.

Методология и методы исследования основаны на трудах отечественных и зарубежных ученых в области почвоведения и экологии. В основу диссертации были положены общепринятые в геохимии и почвоведении методы (ГОСТ 17.4.2.01-81, ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 17.4.3.04-85, ГОСТ 17.4.3.05-86 и др.). Определение концентраций тяжелых металлов в надземных частях растений, образцах почв и снега поводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре. Оценка результатов проводилась по «Перечню ПДК и ОДК химических веществ в почве» (№6229-91, 1991).

Совокупность использованных статистических данных обеспечивает достоверность результатов исследования и аргументированную обоснованность теоретических выводов.

Апробация работы

Результаты работы были доложены на Всероссийской конференции студентов и молодых ученых «Актуальные проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса. Будущее АПК» (Астрахань, 2011), на Всероссийской научной конференции XV Докучаевские молодежные чтения, посвященной 150-летию со дня рождения Р.Ф. Ризположенского «Почва как природная биогеомембрана» (Санкт-Петербург, 2012), на II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные процессы в области химико-педагогического и естественно-научного образования» (Оренбург, 2012), на IX Всероссийской научной конференции с международным участием «Биологическая рекультивация и мониторинг нарушенных земель», Екатеринбург (2012) и др.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, том числе 3 в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Она изложена на 156 страницах печатного текста. Список литературы включает 193 работы, из них 41 публикация на иностранных языках.

1 ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1 ИСТОЧНИКИ ПОСТУПЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЫ

ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ

Тяжелые металлы являются неотъемлемой частью условно-преобразованных и техногенных ландшафтов [98]. Классификация ТМ, их источники, миграция в почвах и в растениях, физиологическая роль, последствия загрязнения ими почв и ландшафтов рассмотрены в работах отечественных и зарубежных ученых [55, 62, 63, 73, 91, 96, 151, 102, 124, 127, 141, 151, 164, 169, 173].

В нашей стране проведено изучение путей и механизмов загрязнения почвенного и растительного покровов тяжелыми металлами разных регионов [6, 15, 26, 49, 85, 86, 96, 94, 108, 138, 142, 144, 151].

Так изучена роль атмосферных выбросов и промышленных предприятий в загрязнении территории Новосибирской области (Ильин В.Б., Сысо А.И., 2001) [53]. Исследовано распределение бенз(а)пирена, мышьяка и тяжелых металлов (Си, Со, Ni, Zn, Pb, Cd, Cr, Mo и Hg) в системе почва-растение-вода-донные отложения ареала с высокой техногенной нагрузкой - территории г. Челябинск и его окрестностей [23].

На примере г. Уссурийска в работе Шишловой Н.А. показано, что атмосферная пыль выполняет роль главного поставщика ТМ в почвы и эти два параметра описываются прямой зависимостью [146].

Подобные исследования, проведенные на территории г. Москвы, выявили, что содержание элементов, относящихся к группе тяжелых металлов, в пылевых выбросах превосходят содержание таковых в почвенном покрове городской экосистемы, львиная доля в составе ТМ принадлежит свинцу. Пыль легко

переносится ветром и может служить вторичным источником загрязнения ТМ

*

почв и атмосферы [107].

Аэральный перенос является главным источником токсичных соединений в сельскохозяйственные угодья Волгоградской области. Суммарное количество элементов, поступающих на территорию субъекта федерации по Аб достигало 35,50 г/га, по РЬ - 39,05 г/га, по Сс1 - 3,55 г/га в год. Подробный корреляционно-регрессионный анализ данных выявил наличие достоверной связи концентрации Аб в атмосферных осадках (кг/га) и, его содержанием в корнеобитаемом слое почвы (0-20 см) [7].

Снеговой покров парков г. Самары активно концентрировал тяжелые металлы техногенного происхождения {Xп, Си, РЬ, Сё, Сг). Распределение металлов в растительности парков имеет и свои индивидуальные черты, проявляющиеся в их повышенном накоплении в зонах влияния аэральных потоков загрязняющих веществ (пыль, аэрозоли). В целом уровень полиметаллического загрязнения парковых экосистем прямо пропорционален степени техногенной нагрузки на их территорию и связан с площадью парков и степени сомкнутости крон древостоев [116].

На территории Череповецкой техногеохимической аномалии, образовавшейся за счет аэральных выбросов металлургического комбината Северсталь, почвы загрязнены барием, лантаном и церием. На территории Ревдинской техногеохимической аномалии, образовавшейся за счет аэральных выбросов Средне-Уральского медеплавильного завода, в почвах накапливаются стронций, барий и иттрий. Почвы Перми загрязнены техногенными щелочноземельными металлами - стронцием и барием, а г. Чусовой - обогащены стронцием и обеднены барием [19, 20].

Повышение средней концентрации цинка, кадмия и ртути в уличной пыли были обнаружены в пробах расположенных вблизи промышленных зон г. Авилес (Испания) [180].

Одним из основных компонентов загрязнения воздуха и почв в городе Конья (Турция) являются промышленные предприятия, котельные и выхлопные газы автотранспорта [179].

Превышение допустимых пределов содержания Сс1, N1, Со, Си, РЬ в почвах города Багдада связано с воздействием промышленных предприятий, таких как кирпичные заводы, а также влиянием автотранспорта [176].

Геологическая классификация элементов, разработанная в начале прошлого века, мало пригодна для прогноза судьбы неорганических поллютантов в загрязненных почвах. Водяницким Ю.Н. предложена почвенно-агрохимическая классификация тяжелых металлов и металлоидов, включающая новые группы: органофильных, манганофильных, силикатофильных и галофильных элементов. Мышьяк, цинк, свинец, медь и кадмий в автоморфных почвах не являются халькофилами, как это следует из геологической классификации. Одни из них (Си и РЬ) - преимущественно органофилы, другие (С<1, Zn) - преимущественно манганофилы. Для суммарной характеристики загрязнения почв тяжелыми металлами и металлоидами почвоведы и геохимики используют показатель Саета, поскольку для него предложена система критических значений опасности загрязнения. Но при его использовании возникают вопросы, требующие уточнения. Им же предложен новый показатель суммарного загрязнения почв, учитывающий разную токсичность тяжелых элементов и основанный на подсчете средних геометрических значений коэффициентов концентрации (КК) [16, 17, 18].

В результате сплошного агрохимического обследования установлены

региональные кларки меди и свинца в почвах Белгородской обл. На объектах

*

локального агроэкологического мониторинга исследованы закономерности распределения подвижных форм этих элементов в зависимости от глубины почвы и размеры их накопления в сельскохозяйственных культурах [88].

В целом для Юго-восточного административного округа (ЮВАО) Москвы характерен невысокий уровень загрязнения, исключением являются только локальные участки с наличием захороненных грунтов, загрязнённых ТМ. Максимальное загрязнение цинком, медью, кадмием и свинцом наблюдается на

территории жилой застройки, а вот содержание в почвах никеля и хрома достигает своего минимума. Форма тяжелых металлов, которой они представлены в почвах города, определяется свойствами этих элементов, степенью загрязнения территории и источниками поступления ТМ в почву [107].

В работе Судницына И. И., Крупениной И. И., Фронтасьевой М. В. и Павлова С. С. определено валовое содержание 37 химических элементов в почвах на различном расстоянии от автодорог в городах Москва и Дубна методом нейтронно-активационного анализа. По мере возрастания массы их атомных