Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ БАШКИРСКО­ГО ЗАУРАЛЬЯ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ БАШКИРСКО­ГО ЗАУРАЛЬЯ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА"



Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук

На правах рукописи

ШАГИЕВА ЮЛИЯ АЛЕКСАНДРОВНА

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ БАШКИРСКОГО ЗАУРАЛЬЯ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА

03.00.16-экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Тольятти - 2002

Работа выполнена в Институте биологии УНЦ РАН, Снбайском институте Башкирского государственного университета

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ: доктор биологических наук,

профессор Кулагин А.Ю.

доктор биологических наук Суюндуков Я.Т.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор биологических наук, профессор Болдырев В.А.

доктор биологических наук, профессор Матвеев Н.М,

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ Башкирский государственный

аграрный университет (г.Уфа)

Защита состоится «11» апреля 2002 г, в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.251.01 л Институте экологии Волжского бассейна РАН по адресу: 446003, Самарская обл., г .Тольятти, ул. Комзина, 10 тел./факс (848-2)48-95-04, Е-таП: есоЬ i@attack.ru

С диссертацией можно ознакомиться ^ке Институт" "чологии

Волжского бассейна РАК

Автореферат разослан «11» марта 2002 г

Ученый секретарь

диссертационного совета .. . у

кандидат биологических наук ——Маленев А.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышенная техногенная нагрузка ведет к необратимым изменениям окружающей среды. Мощнейшим источником отрицательного' воздействия являются отходы предприятий цветной металлургии (Пасынков», 1979; Шилова и др., 1984; Прохорова и др., 1998; Кай городом и др., 2000), в том числе и выбросы горнодобывающей промышленности (Глазовская, 1968, 1972; Ильин, Степанова, 1980; Варшал и др.^ 1993; Карпухин, 1998; Оценка экологического..., 2001; Пасынкова, 2001; и др.). В этом отношении Башкирское Зауралье не является исключением, так как наличие в его пределах ме дно колчеданных месторождений способствовало бурному развитию горнодобывающей и рудоперерабаты-вающей промышленности. Эксплуатация данных месторождений на протяжении многих лег привела х образованию в регионе техногенйых провинций'{Ковальский и др., 1981). Основными элементами меднокешчедан-ных руд являются Си, 2п, 5, а также содержатся Аи, А%, Ав, 1Н, Со, РЬ, Зе, Та, Те, Ое, ба и др. (Башкортостан..,, 1996). В такой ситуации на территориях, подверженных влиянию горнообогатительных комбинатов, остро стоит проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.

Цель и задачи исследований. Цель работы: изучить особенности накопления и распределения тяжелых металлов в почвенно-растительиом покрове степного Зауралья в условиях техногенного воздействия.

Задачи исследований:

• Выявить особенности накопления и распределения тяжелых металлов в преобладающих подтипах черноземов, древесной и травянистой растительности Башкирского Зауралья при техногенном влиянии.

- Оценить состояние загрязнения черноземов валовыми и подвижными формами тяжелых металлов.

- Установить влияние химических свойств зональных черноземов на подвижность металлов.

- Изучить способность растений к избирательному поглощению тяжелых металлов в техногенных условиях.

- Рассмотреть особенности миграции тяжелых металлов в системе почва-растение при техногенном воздействии

- Показать возможности предотвращения загрязнения окружающей среды техногенными выбросами путем использования древесных насаждений в качестве универсального фильтра, определить качество фитомассы пастбищных трав по содержанию токсичных металлов.

Научная новизна и теоретическая значимость результатов исследований* Исследование влияния деятельности горнообогатительных комбинатов на накопление и распределение тяжелых металлов в почве и растительности пп^рр^ ирпнуиуг"^ »1 •Шй.Т"™ ряду черноземов: вы-

Ц ■7(->/-.л,НАЯ

ЬЛ>-; .л,< • - -.V г.гккд '»1. К. Л^

1 Инв.

щелоченных, обыкновенных и южных. Выявлен характер зависимости степени подвижности металлов от химических свойств почвы.

Защищаемые наложения.

1. Существует четкая закономерность распределения Тяжелых металлов к пространстве. По мере приближения к горнообо га тигельным комбинатам происходит увеличение концентрации металлов а почвенно-растительном покрове Башкирского Зауралья. В районе функционирования предприятий формируются техногенные ландшафты с повышенным со-' держанием меда, цинка и кадмия в пахотном слое почвы. По валовым формам меди и цинка импактная зона прослеживается в радиусе 1-5 км от источников загрязнения. По подвижным формам меди, цинка, кадмия- до 10 км.

2. Тяжелые металлы неравномерно распределяются в почве и по ор~'" ганам растений. Наибольшая концентрация меди и цинка происходят пахотном (0-30 см) слое черноземов. Кадмий равномерно распределяется по почвенному профилю. У древесных пород листья (хвоя) отличаются повышенной металлоаккумулирующей способностью, для корней установлена невысокая способность к поглощению тяжелых металлов, ветви занимают промежуточное положение. У злаков подземная часть содержит металлов больше, чем надземная.

3. Древесные насаждения из тополя черного, сосны обыкновенной и березы бородавчатой, произрастающие в зоне влияния предприятий горнодобывающей И рудоперерабатывающей промышленности, являются эффективным средством снижения загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Это свидетельствует о перспективности широкого использования данных видов древесных в условиях техногенеза. В условиях загрязнения окружающей среды предприятиями цветной металлургии тополь черный следует рассматривать как один из важнейших фитофильтров по отношению к меди, цинку и кадмию. :

4. Многолетняя злаковая растительность выполняет функцию биологического барьера на пути миграции в экосистеме тяжелых металлов. ■

5. Степень подвижности меди, цинка, кадмия в черноземах определяется химическими свойствами данных почв.

Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты могут служить основой для разработки рекомендаций по озеленению и очищению промышленных площадок горнообогатительных комбинатов, созданию защитных полос, рекультивации отвалов гор-' норудных разработок; оптимальному использованию сельхозугодий, расположенных в санитарно-защитной зоне. Материалы исследований используются при преподавании курсов экологии в Башкирском государств ' венном университете, Сибайском институте Башкирского госуниверснтета;' Башкирском государственном аграрном университете.

Апробация. .Основные положения работы были доложены на еле-дующих конференциях: Республиканской научно-практической конференции «Социально-экономические и экологические проблемы развития "Уральского региона Республики Башкортостан» (Снбай, 2000); Международной научной конференции «Биоразнообразие н биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2001); научной конференции Сибай-ского института Башкирского государственного университета «Неделя науки» (Снбай, 2001); Международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровье людей» (Пенза, 2001); научно-практической конференции Башетгрского государственного аграрного университета «Создание высокопродуктивных агроэкосистем на основе новой парадигмы-природопользования» (Уфа, 2001); Ш Международной научно-практической конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 2001).

Исследования по теме диссертационной работы проводились а рамках выполнения проекта «Исследование состояния лесных экосистем в техногенных ландшафтах, обоснование и разработка методов биологической консервации промышленных загрязнителей» (грант J6 250 6-го конкурса-экспертизы 1999 г. научных проектов молодых ученых по фундаментальным и прикладным исследованиям) и проекта ((Адаптация и структурно-функциональные особенности формирования корневых систем древесных растений в техногенных условиях» (грант РФФИ Na 00-04-48688),

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, заключения и приложений. Изложена на 180 страницах, включает 7 таблиц, 23 рисунка. Список литературы включает 303 названия, в том числе 49 иностранных.:

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I, ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПОЧВУ И РАСТЕНИЯ (обзор)

- Отмечены*характерные свойства тяжелых металлов (Алексеев, 1987; Матвеев и др., 1997; Прохорова и др., 199S)j величина их стресс-индекса и степень токсичности (Добровольский, 1983; Агроэкология, 2000). ■

Кратко характеризуются источники техногенного поступления металлов в окружающую среду: предприятия черной и цветной металлургии (Tyler, 1974; 1975; Tazaki, Ushyima, 1977; Кулагин, 1974; Ильин И Др., 1985; Прохорова и др„ 1998; Пасынкова, 2001); рудники по добыче полиметаллов (Matthews, Thornton, 1982; Крупская, 1997), автомобильный транспорт (Ward, Brooks, 1978; Смит, 1985); химизация сельского хозяйства (Добровольский. 1983; Кирейчева, Глазунова, 1995; Матвеев и др., 1998), осадки сточных вод (Добровольский и др„ 1990), ежегодный опал растительности

(Вайчис и др., 1998; Прохорова и др., 1999), а также источники природного поступления в о кружащую среду (Ковальский, 1974; Алексеева-Попова и др., 1983; 1991). -

Дана характеристика приоритетным тяжелым металлам - меди, цинку и кадмию (Robb et al, 1980; Melissa, Slaufther, 1984; Maish, Waters, 1985; Singh, 1988; Ковальский, 1971; 1974; Ильин, 1985; 1991; Алексеева-Попова, 1991; Цинк и кадмий..., 1992; Матвеев и др., 1997; Прохорова и др., 1998). ; -*

Описывается характер комплексного взаимодействия ионов тяжелых металлов и их воздействие на биоту (Wallace et al., 1980,1981; Алексеева-Попова, 1983; Одум, 1986; Кабата-Пенднас, Пендиас, 1989; и др.), сведения о доведении металлов в почве и растениях (Dowdy, 1983; Délier et al., 1984; Karataglis, 1987; Salt et al., 1995; Алексеева-Попова и др., 1983; вазовская, 1988; Прохорова, 1996; Прохорова, Матвеев, 1998; Кулагин и др., 2000; Протасова, Щербаков и др., 2000).

Рассматриваются вопросы устойчивости растений к повышенному содержанию металлов в среде (Kiekens, Camerlynck, 1982; Lolkema, Vooijs, 1986) и к промышленным загрязнителям (Smith, 19$ 1; Кулагин, 1974; Сродных,Меньшиков, 1992; Кулагин, 1998; Кулагинидр.,2000). ,

На основе обзора литературы сформулирована необходимость проведения исследований о влиянии деятельности горнообогатительных комбинатов на накопление и распределение тяжелых металлов в зональных' черноземах и произрастающей на них древесной и злаковой растительности.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ

Район исследований относится к Зауральской лесостепи и Зауральской степи, составляющих в целом Башкирское Зауралье (Тайчннов, Буль-чук, 1975).

Климат отличается хонтинентальностью. Расположенность в глубине континента, удаленность от морей и океанов способствует тому, что теплые, несущие влагу морские воздушные массы до проникновения в эту зону успевают преобразоваться в более сухие и континентальные, что обуславливает высокую температуру воздуха и засушливость лета (Богомолов, 1954; Агроклиматические ресурсы..., 1976; Хазиев и др., 1995). Специфическими чертами климата также являются довольно длительная, холодная и малоснежная зима, резкие колебания суточного и годового хода температуры. Характерны частые и сильные ветра.

В почвенном покрове Башкирского Зауралья преобладают черноземы (964), среди них распространены выщелоченный, обыкновенный и южный подтипы. Дается характеристика и приводятся отличительные признаки данных подтипов черноземов (Богомолов, 1954; Бурангулова и др., 1973; Ковальский и др., 1981; Хазиев и др., 1995; 1997; Суюндуков, 1998; 2001).

Район исследования находится в пределах двух подзон Евразна-гской степной области: лесостепи и настоящих степей (Биогеохимическое рай-

онирование.„, 1981). Лесостепьяарактеризуется гетерогенным растительным покровом. Степи подразделяются на разнотравно-ковыльные и сухие типчаково-ковылькые, В разнотравно-ковыльных степях широко представлены злаки - кострец безостый (Btomopsis inermis Leys), овсяница ложноовечья (Festuca pseudoviiia Hack, ex Wiesb), в ниэкотравно-тапчаковых степях в травостое доминируют Festuca pseudovina, тырса (Stipa capilleta L.). Степная растительность сочетается с участками леса. В числе основных лесообразуюпшх пород: тополь черный (Populus nigra L.), сосна обыкновенная (Firnis sylvestris L.), береза бородавчатая, или повислая, (Betuia pendula Roth) (Соломет и др., 1993).

В целом природные и геохимические условия исследованного района разнообразны и уникальны. Уникальность заключается'в наличии разнообразных металлогенных поясов, обогащающих прилегающие природные среды тяжелыми металлами. К перечисленному добавляется высокий уровень техногенной нагрузки а регионе (Обзор состояния,.., 2001; Оценка экологического..., 2001; Шагнева, 200]; Шагиева, Суюндуков, 2001)-

Глава 3, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1999-2001 гг. на территории Башкирского Зауралья в зоне воздействия горнообогатительных комбинатов, работающих на базе медноколче-данных месторождений, были проведены комплексные работы по исследование» накопления и распределения тяжелых металлов в почвах и растениях.''

Добываемые медноколчеданные руды многокомпонентны: вместе с основными элементами (Cu, Zu), содержатся и рассеянные. Среди рассеянных элементов выделяется Cd, который является спутником цнкка и его химическим аналогом (Цинк и кадмий, 1992; Лукин и др., 2000; Степанок, 2000). Эти металлы рекомендуется включать в группу элементов, подлежащих обязательному контролю на территориях, подверженных техногенному воздействию горнорудного производства (Обзор .... 2001).

В пределах рудных районов действуют Учалинский горнообогатительный комбинат (УГОК), Башкирский медно-серный комбинат (БМСК) и Бурибаевское рудоуправление (РУ), специализирующиеся на добыче, обогащении медноколчеданных руд и поставляющие концентраты металлургическим предприятиям.

Изучалось накопление н распределение меди, цинка и кадмня в поч-венно-растнтельном покрове в условиях техногенного воздействия.

Дается обоснование необходимости определения содержания тяжелых металлов в'почве (Прохорова, 1996; Хазиев и др., 2000) и растениях (Тарабрин, Чернышева, 1978; Матвеев и др., 1997; Кулагин н др., 2000).

При выборе почв в качестве объекта исследования руководствовались тем, что выщелоченный (в зоне воздействия УТОК), обыкновенный (БМСК) и южный (Бурибаевсхого РУ) черноземы являются преобладаю-

щимн подтипами в пределах Башкирского Зауралья, образующими зональный ряд в градиенте север-юг.

При выборе древесных пород руководствовались широтой их распространения, малой требовательностью к условиям произрастания, устойчивостью к промышленным загрязнителям, также учитывали рекомендации по защитному лесоразведению н озеленению санитарных полос промышленных территорий, рекультивации нарушенных техногенеэом эе~: мель (Thomas, 1984; Матвеев, Терентьев, 1986; 1988; Матвеев, 1989; Ваяй-' лов и др., 1991; Прохорова и др., 1998; Чурагулова, 1998; Кулагин и др.; 2000; Оценка экологического..., 2001; и др.). Изложенным требованиям отвечают основные лесообразующие породы региона: тополь черный (PopuLus nigra L.), сосна обыкновенная (Pimis sylvestris L.), береза бородавчатая {Berula pendula Roth).

При выборе травянистой растительности учитывался тот факт, что в Башкирском Зауралье преобладают степные злаки, среди которых наиболее распространенными и устойчивыми к выпасу пастбищными растениями являются тырса (Stipa capillata L.) и овсяница лошмювечьв (Festuca pseudovina Hack, ex Wiesb), а также кострец безостый (Bromopsis inermis Leys), широко используемый в качестве кормовой культуры в посевах многолетних трав.

Пробные площадки, где проводился отбор образцов, закладывались по трансектам с использованием почвенных карт, с учетом господствующих ветров, рельефа местности, возраста и фаз развития растений, удаленности от автодорог, Расстояние от пробной площадки до источника загрязнения определялось на основе ландшафтяо-экологического принципа (Лукьянец, Шилова, 1979; Шилова и др., 1979; Шилова и др., 1984).

Также были выделены однотипные площадки условного контроля, приравненного к местному фону (Методические рекомендации..:, Í987; Касимовкдр., 1992; Матвеев« др., 1997; Добровольский, 1999). х

Определялось состояние загрязнения черноземов металлами (Методические указания,::, 1987; Добровольский, 1999). Для экотоксикологи ческой оценки почв использовалась кратность превышения предельно допустимой кокцейтрации (ПДК) тяжелых металлов по их валовым и подвижным формам (Система оценки..., 1992), с учетом группы токсичности каждого металла (ГОСТ 17.4.1.02-83). Сравнение производилось с региональным геохимическим фоном (РГФ) степных почв Башкирского Зауралья для валовых и подвижных форм Си. Zn, Cd (Оценка экологического..., 2001) и фоновым содержанием данных металлов в черноземах (Методические указания...,1992; Яковлев и др., 1993).

Изучение содержания тяжелых металлов в злаковой растительности базировалось на биохимических критериях (Агроэкология, 2000), а также сравнивалось с условным контролем. Концентрация Си, Zn в травянистой растительности сопоставлялась с региональным клархом растении (РКР)

территории Башкирского Зауралья, Cd - со средним показателем по республике Башкортостан (Оценка экологического..2001),

Интенсивность поглощения металлов древесными породами оценивалась с помощью коэффициента аккумуляции Ка (Биоиндикация загрязнения..., 1988).

Отбор и подготовка к анализу почвенных и растительных образцов осуществлялись по общепринятым методикам (Сукачев и др., 1957; Ари-нушкина, 1970; Зырин, Обухов, 1977; ГОСТ ! 7.4.3.01-83).

У злаков на определение содержания тяжелых металлов были взяты надземная часть и корни, у деревьев - листья (хвоя), ветви, корни.

Содержание тяжелых металлов в почвах и растениях определялось атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре «Сатурн-3», работающем в графитовом режиме, и на установке AAS-3 (Германия) в пламена воздух-апетилен с использованием 1н. азотнокислой вытяжки и рассчитывалось в мг/кг воздушно-сухого вещества.

Определялись химические свойства почвы (ГОСТ 26483-85; ГОСТ 26487-85, ГОСТ 26490-85; ГОСТ 26950-86; ГОСТ 27821-88; ГОСТ 2621291; ГОСТ 26213-91; Почвоведение, 1989).

Полученные данные обрабатывались статистическими методами (Доспехов, 1985) е использованием пакета программ Basic statistics.

Глава 4. СОДЕРЖАНИЕ И НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ БАШКИРСКОГО ЗАУРАЛЬЯ

Отмечается фрагментарность имеющихся по данному вопросу фактических материалов (Глазовская, 1969; Ковальский, 1971, 1974; Бурангу-лова, Мукатанов, 1975; Скарлыгина-Уфимцева и др., 1976; Ковальский и др., 1981; Скарлыгина-Уфимцева, Опекунова, 1985; Хазиев и др., 2000; Оценка экологического..., 2001).

Существует значительное количество подходов к нормированию содержания металлов в почвах (KJoke, 1980; Temmerman et al.,1984; Evaluating..., 1990; Ильин, 1987, 1992; Методические рекомендации..., 1987; Методические указания,.., 1987; Критерии оценки..., 1992; Порядок определения.,., 1993; Матвеев и др., 1997; Добровольский, 1999; Оценка экологического,,., 2001). Однако наиболее объективная оценка загрязнения достигается при определении содержания подвижных форм тяжелых металлов (Глазовская, 1976; Ильин, Степанова, 1979; Взженин, 1982; Хавезов, Ца-лев, 1983; Ковда, 1985; Алексеев, 1987).

Исследования показали, что существует четко выраженная закономерность распределения меди, цинка, кадмия в пространстве. По мере приближения к горнообогатительным комбинатам происходит увеличение концентрации данных металлов во всех подтипах черноземов (рис.1).

В районе функционирования горнообогатительных комбинатов формируются территории с повышенным содержанием меди, цинка и

кадмия в пахотном (0-30 см) слое почвы. По валовым формам меди и цинка импактная (загрязненная) зона прослеживается в радиусе 1-5 км от источников загрязнения. По подвижным формам меди, цинка, кадмия -до 10 км. Содержание валового кадмия находится в пределах природной флюктуации.

На черноземе обыкновенном наблюдается большая протяженность импактной зоны, что объясняется повышенной техногенной нагрузкой БМСК на прилегающую территорию по сравнению с УГОК и Бурибаев-ским РУ,

В целом, черноземы Башкирского Зауралья, находящиеся в зоне техногенного воздействия, по валовым формами меди, цинка имеют категорию слабого загрязнения. Исключение составляет чернозем обыкновенный, где по содержанию валовой меди отмечена категория умеренного загрязнения.

Более тревожная ситуация наблюдается по содержанию в черноземах подвижных форм тяжелых металлов. Так, черноземы обыкновенные имеют категорию очень сильного загрязнения подвижными формами цинка (до 93,15% от его валового содержания), черноземы выщелоченные и южные -умеренного. По содержанию подвижной меди категория очень сильного загрязнения отмечена в черноземах обыкновенном и южном, для выщелоченного ченозема установлена категория умеренного загрязнения. Пахотный слой чернозема южного загрязнен активными формами кадмия (71,490,9% от валового содержания) в сильной степени, черноземы выщелоченные и обыкновенные - умеренно.

Таким образом, на черноземах Башкирского Зауралья импактная зона по подвижным меди, цинку и кадмию располагается в радиусе 10 км от источника загрязнения. Исследованиями подтверждается наличие на территории Башкирского Зауралья природных локальных аномалий со значительной концентрацией в почве меди (см. рис.1 I), что усугубляет экологическую ситуацию в регионе, так как на естественно повышенный геохимический фон накладывается промышленное загрязнение.

В целом, наибольшая концентрация меди и цинка происходит в пахотном слое черноземов. Кадмий характеризуется слабой аккумуляцией в пахотном горизонте и равномерно распределяется по почвенному профилю.

Глава 5. СОДЕРЖАНИЕ И НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ДРЕВЕСНЫМИ ПОРОДАМИ НА ЧЕРНОЗЕМАХ БАШКИРСКОГО ЗАУРАЛЬЯ

Отмечается недостаточность информации по накоплению тяжелых металлов древесными видами Башкирского Зауралья (Чурагулова, 1986, 1998; Кулагин, 1998; Кулагин и др., 2000; Оценка экологического..., 2001; Пасынкова, 2001). Автором указывается, что в литературе неполно оценена их защитная функция.

Лесные насаждения снижают скорость ветра в приземном слое, вы-

полнят незаменимую функцию по улучшению санитарно-гигиенических условий, поглощая газообразные загрязнители, тяжелые металлы и задерживая пылевые частицы (Smith, 1981; Кулагин, 1974; Николаевский, Чернышенко, 1989;..Сродных, Меньшиков, 1992; Кулагин, 1998; Прохорова н др., 1998; Кулагин и др., 2000; и др.). В связи с этим необхо-' димо создание санитарно-защитных насаждений, которые смогут эффективно выполнять функции фитофильтров, н искусственных лесных насаждений, имеющих важное хозяйственное, гидрологическое, противоэро-зионное значение (Кулагин и др., 2000).

Исследования показали, что древесные насаждения из тополя черного, сосны обыкновенной и березы бородавчатой, произрастающие в зоне влияния предприятий горнодобывающей и рудоперерабатывающей промышленности региона, являются эффективным средством снижения загрязнения окружающей среда медью, цинком, кадмием. Содержание тяжелых металлов в древесных породах определяется удаленностью места их произрастания от источника загрязнения и видовыми различиями в накоплении металлов (рис. 2).

Установлена неравномерность в распределении металлов по органам древесных пород. Наибольшее количество медИ содержится в листьях (хвое) и ветвях, цинка и кадмия — в корнях н ветвях.

Листья (хвоя) тополя, сосны, березы отличаются повышенной метал-доаккумулирующей способностью. Для корней установлена невысокая способность к поглощению тяжелых металлов. Ветви занимают промежуточное положение. Депонирование ветвями и корнями значительных количеств металлов способствует предотвращению рассеивания металлов в окружающую среду (рис.Э). Наибольшая интенсивность поглощения металлов характерна для тополя черного. Далее в порядке снижения аккумулятивной способности следуют сосна обыкновенная и береза бородавчатая.

В условиях загрязнения окружающей среды предприятиями цветной металлургии тополь черный следует рассматривать как один из важнейших фитофильтров по отношению к меди, цинку и кадмию,'сосну обыкновенную - как компонент фитофильтра в отношении меди и цинка, березу бородавчатую -'в отношений кадмия.

Глава 6. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В МНОГОЛЕТНИХ ЗЛАКАХ НА ЧЕРНОЗЕМАХ БАШКИРСКОГО ЗАУРАЛЬЯ В работах ученых, проводивших исследования содержания тяжелых металлов в растительности Башкирского Зауралья (Ковальский, 1974; Скарлыгина-Уфнмцева, Опекунова, 1985, 1986, 1987;" Ковальский и др., 1981; Алексеева-Попова и др., 1983, 1984; Растения в экстремальных,,., 1983;.Кссипин и др., 1985; Алексеева-Попова, 1990, 1991; Игошина и др., 1991; Оценка экологического..., 2001; и др.) в основном рассмотрены вопросы содержания металлов и механизмы металлоустойчивости удикорас-

I

II

III

Расстояние от ИЗ.см

В

а»

.Я ■ ШЯ пХгШ

Рис.2, Содержанке меди в тополе черном (I), сосне обыкновенной Щ) и березе бородавчатой (Ш) на черноземах (Ш-вы щелоченных, Необыкновенных, В-южных) Башкирского Зауралья, мг/кг воздушно-сухого вещества. А- листья (хвоя), В - ветви, С - корни; К - условный контроль; ИЗ - источник загрязнения.

1 5 10 К ( ) Ю К II 10 к

Расстояние о? ИЗ,км

Рис.3. Содержание цинка в сосне обыкновенной на черноземах (■выщелоченных, □-обыкновенных, Ш-южных) Башкирского Зауралья, мг/кг воздущно-сухого вещества, А - хвоя, В - ветви, С - корни; К - условный контроль; ИЗ - источник загрязнения.

тущего разнотравья и оценено качество продукции садово-огородных культур. Наши исследования были направлены на изучение содержания тяжелых металлов в многолетних злаках - доминантах естественных и улучшенных кормовых угодий Башкирского Зауралья.

Исследования показали, что у многолетних злаков в биологическом поглощении меди, цинка, кадмия имеются различия. Среди изученных металлов наиболее активно накапливается цинк. На территории района исследования злаки способны осуществлять компенсацию избытка меди в почве: невысокие значения содержания медн в злаках сохранялись даже при высоком содержании подвижных форм данного металла в почве. Содержание цинка в злаковой растительности тесно связано с концентрацией его в почве.

Отмечено, что корки злаков служат главным аккумулятором металлов, предотвращая поступление токсикантов в поедаемую скотом надземную часть (рис, 4).

Многолетняя злаковая растительность выполняет функцию биологического барьера на пути миграции в экосистеме тяжелых металлов.

Глава 7. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧЕРНОЗЕМОВ

НА МИГРАЦИЮ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ ПРИ ТЕХНОГЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Миграция металлов в системе почва-растение определяется типом почвы, ее гидротермическим режимом, свойствами (гумусированностъю, кислотностью, карбонатностью, емкостью катиокного обмена и пр.), характером почвообразующих пород {Почвоведение, 1989), а также спецификой вида растения, погодными условиями и характером техногенного загрязнения.

Приводится характеристика химических свойств почв и показана

Си

) 5 10 К РкССТОЯНЧв ОТ ИЗ, км

л> 2»

№ »

О I

<«

, 0.1 {Ч 0

21

СУ

5 10 К

Рис,4. Содержание меди (Си), цинка (2п), кадмия (ОЗ) в костреце безостом на черноземах (М-вы щелоченных, □-обыкновенных, ■-южных) Башкирского Зауралья, мг/кг воздушно-сухого вещества. А - надземная часть, В - корни; К - условный контроль; ИЗ - источник загрязнения.

степень подвижности меди, цинка, кадмия в черноземах (табл.), Исследования показали, что подвижность металлов определяется как уровнем загрязненности, так и химическими свойствами почвы.

Из таблицы очевидна тенденция к повышению степени подвижности металлов по мере приближения к источнику загрязнения. На наш взгляд это связано с буферной способностью почвы: чем больше содержание металлов, тем в меньшей степени почва способна снижать их активность.

Установлена положительная корреляционная зависимость между величиной потенциальной кислотности почвы и подвижностью меди, цинка, кадмия: с повышением кислотности почвы возрастает подвижность металлов, В обыкновенном черноземе эта зависимость слабо выражена.

Таблица

Подвижность тяжелых металлов в верхнем слое черноземов Башкирского Зауралья, в % от валового содержания

Зональные подтипы черноземов Расстояние от ИЗ, км

1 1 5 10 | К

Подвижность меди, %

Выщелоченный (в зоне воздействия УГОК) 44,70 41,44 30,90 31,14

Обыкновенный (в зоне воздействия БМСК) 64,0 42,60 38,0 36,0

Южный (в зоне воздействия Бурибаевского РУ) 31,45 32,9 33,30 13,35

Подвижность цинка, %

Выщелоченный (в зоне воздействия УГОК) 22,60 16,5 12,10 8,76

Обыкновенный (в зоне воздействия БМСК) 82,82 41,66 44,40 10,90

Южный (в зоне воздействия Бурибаевского РУ) 9,76 4,75 4,80 3,50

Подвижность кадмия, %

Выщелоченный (в зоне воздействия УГОК) 33,30 20,0 33,30 54,50

Обыкновенный (в зоне воздействия БМСК) 50,0 25,0 15,80 27,80

Южный (в зоне воздействия Бурибаевского РУ) 80,0 50,0 | 75,0 35,0

Емкость катионного обмена, сумма поглощенных почвой оснований оказывают слабое влияние на степень подвижности меди и цинка. Для кадмия характерна высокая подвижность, которая положительно коррелирует с емкостью катионного обмена и степенью насыщенности основаниями..

Концентрация меди, цинка, кадмия а растениях костреца зависит от содержания валовых и подвижных форм металлов в черноземах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Состояние загрязнения металлами почвенно-растительного покрова Башкирского Зауралья в значительной мере определяется удаленностью территории от источника загрязнения и интенсивностью промышленного производства. Это проявляется в следующем: во-первых, по мере приближения к горнообогаггательным комбинатам происходит увеличение концентрации металлов в черноземах, древесных породах и многолетних злаках; во-вторых, в пределах функционирования предприятий формируются территории с повышенным содержанием меди, цинка и кадмия в почве; в-третьих, большая протяженность импактной зоны на черноземе обыкновенном связана с повышенной техногенной нагрузкой Башкирского медно-серного комбината на прилегающую территорию по сравнению с Учалии-ским горнообогатительным комбинатом и Бурибаевским рудоуправлением. Наличие на территории исследуемого района природных локальных аномалий со значительной концентрацией в почве меди усугубляет экологическую ситуацию.

В зове.влияния предприятий горнорудной промышленности степного Зауралья древесные насаждения из тополя черного, сосны обыкновенной и березы бородавчатой эффективно снижают загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами, что свидетельствует о перспективно* сти широкого использования данных древесных видов в условиях техноге-кеза. Причем тополь черный следует рассматривать как один из важнейших фитофильтров по отношению к меди, цинку и кадмию, сосну обыкновенную - как компонент фитофильтра в отношении меди и цинка, березу бородавчатую - а качестве составной части фитофильтра по отношению к кадмию.

.... По сравнительной интенсивности поглощения тяжелых металлов древесные породы располагаются в ряду: тополь черный > сосна обыкновенная > береза бородавчатая. , ■ '

Листья (хвоя) древесных видов отличаются повышенной металлоак-кумулирующей способностью н являются зелеными фнтофильтрами, улавливающими техногенные загрязнители. Корни имеют невысокую способность поглощения металлов. Ветви занимают промежуточное положение. Депонирование ветвями и корнями значительных количеств металлов способствует предотвращению рассеивания металлов в окружающую среду.

Многолетние злаки (овсяница ложноовечья, тырса и кострец безостый) концентрируют в корнях значительные количества металлов, препятствуя их проникновению в поедаемую скотом надземную часть, тем самым выполняя функцию биологического барьера на пути миграции в экосистеме тяжелых металлов. У данных видов в поглощении меди, цинка, кадмия отмечаются различия. Наиболее активно злаки накапливают «инк. Содержание кадмия не выходит за пределы нормы. Изученные злаки способны осуществлять компенсацию избытка меди в почве: невысокие значения содержания в них меди сохраняются даже при высоком содержании подвижных форм металла в почве. Существует прямая зависимость между концентрацией металлов в растениях костреца и содержанием их в черноземах. ■ - -

Степень подвижности меди, цинка, кадмия во многом определяется уровнем загрязненности и химическими свойствами черноземов. Существует положительная корреляционная зависимость между величиной потенциальной кислотности почвы и подвижностью металлов; с повышением кислотности почвы возрастает их подвижность. Для кадмия характерна высокая степень подвижности, которая положительно коррелирует с емкостью катионного обмена и степенью насыщенности почвы основаниями.

ВЫВОДЫ

1, Изучение содержания меди, цинка и кадмия в почве и растениях в техногенных условиях показало наличие четко выраженной закономерности распределения металлов в пространстве. По мере приближения к

горнообогатительным комбинатам происходит увеличение концентрации токсикантов в черноземах, древесных породах и многолетних злаках.

2. В пределах функционирования предприятий цветной металлургии формируются территории с повышенным содержанием меди н цинга в пахотном слое почвы. Кадмий более равномерно распределен по почвенному профилю. Для валовых форм металлов импактная зона прослеживается в радиусе 1-5 км от источников загрязнения, для подвижных форм -до 10 км. Повышенная техногенная нагрузка Башкирского медно-серного комбината на прилегающую территорию по сравнению с Учалинским горнообогатительным комбинатом и Бурибаевскям рудоуправлением обусловливает большую протяженность импакгной зоны на черноземе обыкновенном. Наличие на территории Башкирского Зауралья природных локальных аномалий со значительной концентрацией в почве меди усугубляет экологическую ситуацию в регионе, так как на естественно повышенный геохимический фон накладывается промышленное загрязнение.

3. В ряду сравнительной интенсивности поглощения тяжелых металлов древесные породы располагаются следующим образом: тополь черный > сосна обыкновенная > береза бородавчатая. Среди древесных органов листья (хвоя) отличаются повышенной металлоаккумулирующей способностью. Для корней установлена невысокая способность к поглощению металлов. Ветви занимают промежуточное положение. Депонирование ветвями и корнями значительных количеств металлов способствует предотвращению рассеивания металлов в окружающую среду.

4. Защитные лесные насаждения из тополя черного, сосны обыкновенной и березы бородавчатой, произрастающие в зоне влияния предприятии горнодобывающей и рудоперерабатывающей промышленности, являются эффективным средством снижения загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Это свидетельствует о перспективности широкого использования данных видов древесных в условиях техногенеза. В условиях загрязнения окружающей среды предприятиями цветной металлургии тополь черный следует рассматривать как один из важнейших фитофнльт-ров по отношению к меди, цинку и кадмию, сосну обыкновенную - как компонент фитофильтра в отношении меди и цинка, березу бородавчатую -в качестве значимой составной части фитофильтра по отношению к кадмию. 4

5. В биологическом поглощении меди, цинка и кадмия отмечаются различия. Наиболее активно накапливается цинк. Содержание кадмия не выходит за пределы нормы. Многолетние злаки способны произрастать при избытке меди в почве: невысокие значения содержания в них меди сохраняются даже при высоком содержании подвижных форм металла в почве. В целом, многолетняя злаковая растительность выполняет функцию

< биологического барьера на пути миграции в экосистеме тяжелых металлов. Одйако имеется прямая зависимость между концентрацией металлов в рас-

тениях костреца и содержанием их валовых и подвижных форм в черноземах.

■ б. Степень подвижности меди, юшка, кадмия в черноземах определяется химическими свойствами данных почв. Установлена положительная корреляционная зависимость между величиной потенциальной кислотности почвы и подвижностью металлов: Емкость катионного обмена, сумма поглощенных оснований, степень насыщенности почвы основаниями оказывают слабое влияние на степень подвижности меди и цинка. Для кадмия характерна высокая степень подвижности, которая имеет положительную корреляционную связь с емкостью катионного обмена и степенью насыщенности почвы основаниями.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шагаева Ю.А., Суюндуков Я.Т. К проблеме изучения тяжелых металлов в почвах Зауралья Н Социально-экономические и экологические проблемы развития Уральского региона Республики Башкортостан / Тезисы докладов Республиканской научно-практической конференции 1-2 июня 2000г. - Сибай, 2000. - С. 296-297.

2. Шагаева Ю.А., Суюндуков Я.Т., Кулагин А.Ю. Тяжелые металлы в почвах Башкирского Зауралья // Бноразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий/Материалы международной научной конференции 30-31 января 2001 г. - Оренбург: ИПК «Газрромпечать», 2001. - С. 381-383.

3. Шагиева Ю.А., Суюндуков Я.Т. Экотоксикологическая оценка содержания меди и цинка в черноземах Башкирского Зауралья II Неделя науки / Материалы научной конференции Сибайского института Башкирского госуниверситета 14-18 мая 2001 г. - Сибай, 2001. - С. 44-46.

4. Шагиева Ю.А. Медь в черноземах и кормовых культурах Башкирского Зауралья II Состояние биосферы и здоровье людей I Сборник материалов Международной научно-практической конференции 27-28 ноября 2001 г. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2001.-С. 94-96.

5. Шагиева Ю.А., Суюндуков Я.Т. Техногенез и проблема экологической безопасности в Башкирском Зауралье II Создание высокопродуктивных агроэкосистем на основе новой парадигмы природопользования / Сборник докладов научно-практической конференции, посвященной 95-летию со дня рождения профессора С.Н. Тайчинова - Уфа: БГАУ, 2001. - С. 63-69.

6. Шагиева Ю.А, Горнорудные разработки и накопление тяжелых металлов древесными породами в промышленных центрах Баш-

кнрского Зауралья // Проблемы строительства, инженерного обеспечения н экологии городов / Сборник материалов III Международной научно-практической конференции 26 декабря 2001 г. Ч. I, - Пензе; Приволжский Дом знаний, 2001. - С. 43-45. 7. Шагиева Ю.А., Суюндуков Я.Т., Кулагин АЛО. Медь и цинк » черноземах и кормовых культурах Башкирского Зауралья // Аграрная Россия, 2002 (в печати).

ТЯЖЁЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ БАШКИРСКОГО ЗАУРАЛЬЯ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНБЗА

Шагаева Юлия Александровна

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Лицензия № 021319 от 05.01.99.

Подписано в печать 12.02.2002 Уч.-изд. л. 1,4 Формат 60*84 1/16

Заказ №27 Тираж 150 экз.

Редакцнонно-надательский центр Башкирского государственного университета Печатно-множительный участок Сибайского института БашГУ г. Сибай, ул. Маяковского, 5