Размещено на http://www.allbest.ru/

ДнІпроПЕТРОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Екологічна оцінка урболандшафтів за вмістом важких металів у системі грунт-рослина

Бортнік Леся Миколаївна

Дніпропетровськ - 1999

Дисертацією є __ рукопис _________________________________

Робота виконана в Інституті грунтознавства та агрохімії

ім. О.Н.Соколовського, Українська академія аграрних наук.

Науковий керівник: доктор біологічних наук, академік УААН,

професор Медведєв Віталій Володимирович,

Інститут грунтознавства та агрохімії ім.О.Н.Соколовського

УААН, директор

Офіційні опоненти

Доктор біологічних наук, професор Цвєткова Ніна Миколаївна, Дніпропетровський державний університет Міністерства освіти України, кафедра геоботаніки, грунтознавства та екології.

Кандидат біологічних наук, професор Шанда Володимир Іванович, Криворізький педагогічний університет, завідувач кафедри ботаніки та екології.

Провідна установа - Донецький державний університет Міністерства освіти України, кафедра ботаніки та екології

Захист відбудеться " 1 " грудня 1999 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.04 по присудженню наукового ступеня кандидата біологічних наук в Дніпропетровському державному університеті за адресою: 320625 МСП, м. Дніпропетровськ, провулок Науковий, 13, корпус 17, біолого-екологічний факультет, ауд. 611.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Дніпропетровського державного університету Міністерства освіти України

Автореферат розісланий "28 " жовтня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат біологічних наук, доцент А.О. Дубіна

1. Загальна характеристика роботи

А к т у а л ь н і с т ь р о б о т и. У зв'язку з погіршенням чистоти навколишнього середовища, що відбувається в нинішній час внаслідок урбанізації, і забруднення урболандшафтів промисловими відходами актуальною є розробка та використання методів, які б дозволили отримати картину розповсюдженням забруднення. В першу чергу це стосується грунтово-рослинного покриву, який виступає в якості активного фактору та середовища депонування і міграції хімічних елементів, зокрема важких металів. У певних відношеннях стосунки між грунтом та рослинним покривом такі невіддільні, що правомірним стає питання про дослідження саме системи грунт-рослина. Прослідкувати за ступенем антропогенного впливу можна за допомогою рослин - індикаторів, які в ряді випадків більш надійно та наглядно характеризують забруднення екосистеми, ніж різноманітні технічні прилади, і служать, таким чином, важливим доповненням до традиційних інструментальних методів та засобів спостережень за станом рослинності та грунту. Якісна оцінка екологічної ситуації та аналіз перерозподілу шкідливих елементів у системі грунт-рослина є надзвичайно актуальним завданням з огляду на концепцію сталого розвитку України. Багатосторонній підхід, який застосовано у даній роботі, дозволяє адекватно оцінити антропогенний вплив на урболандшафти.

М е т а і з а в д а н н я р о б о т и. На основі багатостороннього дослідження забрудненості лісопаркової зони та стану системи грунт-рослина здійснити оцінку стану забруднення території міста Харкова та визначити індикативну роль рослинності (як показника вмісту важких металів).

З цією метою було виконано ряд наступних завдань:

1. Аналіз і порівняння вмісту хімічних елементів в грунті та в рослинах.

2. Складення картосхем вмісту важких металів у грунті для території міста.

3. Визначення чутливості та толерантності до хімічних елементів певних видів рослин.

4. Системний аналіз перерозподілу забруднення у системі грунт-рослина. метал грунт рослина урболандшафт

5. Відпрацювання комплексу досліджень для моніторингу урболандшафтів, які б базувалися на основі вивчення стану рослинності .

Н а у к о в а ц і н н і с т ь і н о в и з н а р о б о т и

- застосовано багатосторонній підхід до вивчення вмісту важких металів (ВМ) у системі грунт-рослина для екологічної оцінки урболандшафтів

- складено картосхеми розподілу вмісту ВМ на території міста

- встановлено залежність міграції ВМ у системі грунт-рослина на території рекреаційних зон урболандшафтів (на прикладі м.Харкова)

- виявлено чутливі та толерантні види трав'янистих рослин до поглинання ВМ

П р а к т и ч н а з н а ч и м і с т ь р о б о т и. Проведення екологічної оцінки системи грунт-рослина за вмістом важких металів у верхньому шарі грунту та рослинності доцільно використовувати для моніторингу міських земель, зокрема для виділення приорітетних об'єктів спостереження. Це може бути корисним при плануванні розміщення сільськогосподарських угідь навколо промислових об'єктів, а також для визначення ділянок з підвищеним вмістом забруднювачів на приміських землях (ділянок підвищеного ризику), де мають бути обмеження використання грунтів для вирощування сільськогосподарської продукції. Виявлення чутливих та токсикотолерантних до важких металів рослин допоможе контролювати потрапляння продуктів з надмірним їх вмістом до харчового ланцюга тварин та людини.

На захист виносяться наступні положення:

Доказ доцільності розгляду у якості показника стану поліелементного забруднення навколишнього середовища міста Харкова системи "грунт-рослина" і показ за власними експериментальними даними просторових відмін в умовах великого міста.

Визначення кількісних співвідношень у наявності важких металів у рослинах порівняно з забрудненістю ними грунтів (на прикладах об'єктів лісопаркової зони, розташованих у різних природно-техногенних умовах).

Визначення фітоіндикаційної здатності рослин, що ростуть у лісопарковій зоні, щодо важких металів через їх накопичення у біомасі, для екологічної оцінки урболандшафтів та екомоніторингу.

Моделювання переносу важких металів у системі "грунт-рослина"

А п р о б а ц і я р о б о т и. Результати досліджень апробовані на засіданнях Вченої Ради ІГА УААН на протязі трьох років, на конференції, присвяченій актуальним питанням ботаніки та екології (Харків, 1996), 2-й конференції "Застосування персональних комп'ютерів в наукових дослідженнях та навчальному процесі" (Харків, 1996), семінарі з математичної екології, м. Трієст, Італія, 1996 р., конференції "Теоретичні та прикладні аспекти проблем агрохімії та грунтознавства" (Харків, 1997), коледжі з фізики грунтів, Італія, 1998 р., на 5 з'їзді грунтознавців і агрохіміків (м. Ровно, 1998 р), на конференції "Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих вчених міста Харкова" (1998р.).

П у б л і к а ц і ї. За результатами досліджень опубліковано 12 наукових робіт, 3 з яких у співавторстві, 7 з них статті.

Обробка результатів проводилася з використанням сучасного математичного апарату у пакетах програм "Статистика 5.0", "Exceel", "Математика".

Особистий внесок. Всі експериментальні матеріали, обгрунтування результатів, картосхеми, теоретичні розробки та математична модель міграції ВМ отримані особисто автором.

Структура і об'єм роботи. Работа налічує шість розділів, висновки, додатки, бібліографію із 202 джерел, 37 з яких іноземні. Основний зміст викладений на 150 сторінках машинописного тексту, містить 40 таблиць, 17 рисунків та додатків на 10 сторінках.

Час та місце виконання роботи. Робота виконувалася з 1994 по 1997 рік під час перебування в очній аспірантурі Інституту грунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського УААН і на базі дослідної лабораторії моніторингу навколишнього середовища Харківського державного університету. Робота проводилася у рамках завдання НТП "Родючість грунтів" за реєстраційним номером 0196U012527 у секторі агроекологічного моніторингу.

2. Аналітичний огляд

Обґрунтовується застосування методу біоіндикації для екологічної оцінки забруднення урболандшафтів важкими металами, що обумовлене інтенсивним розвитком та розширенням індустріальних центрів і, внаслідок цього, погіршенням стану навколишнього середовища. Проаналізовано ряд робіт, в яких висвітлюється роль важких металів у грунті і їх основні фізіологічні функції у рослинному організмі, ознаки токсичної дії та недостачі в рослинах в умовах антропогенного впливу. Рослини виступають проміжним резервуаром, через який важкі метали переходять з грунту, води і повітря в організм тварин та людини. Рослини можуть пасивно захоплювати листям хімічні елементи з атмосферного пилу або корінням з грунту та регулювати їх надходження чи видалення шляхом різноманітних фізіологічних реакцій.

Головний шлях поглинання рослинами важких металів - адсорбція корінням, яка може бути пасивною (дифузія) та активною, пов'язаною з метаболічними процесами. Поглинання залежить від різноманітних факторів (концентрації в грунтовому розчині, рН, температури, стадії розвитку рослин, властивостей грунту). Обов'язковою умовою поглинання кореневою системою будь-якого металу є його перебування у розчинному стані.

Інший шлях поступання важких металів - це поглинання листям, яке має дві фази : неметаболічну (проходження через кутикулу), та метаболічну (поступання проти градієнту концентрації в протоплазму).

В умовах постійного забруднення деякі види трав'янистих рослин здатні формувати металостійкі популяції, які утворюють різноманітні системи знешкодження металів всередині самих рослин. (Косицын А.В., Алексеева-Попова, 1983, Кабата-Пендиас, 1989 та ін.). У більшості випадків вміст важких металів, що накопичується в коріннях, корелює з вмістом у грунті (Глазовская и др., 1961, Wu et. al., 1975, Ильин, 1991), а при великих концентраціях у корінні збільшується їх вміст у листі. Як правило, вміст важких металів у репродуктивних органах буває значно меншим (Ильин, Степанова, 1980, Черных, 1991 та ін.). В той же час коренева система є потужним бар'єром, який затримує надходження токсичних концентрацій важких металів у надземну частину. Відмічається найбільша захисна роль кореневої системи по відношенню до таких важких металів, як свинець, нікель, хром.

3. Об'єкт і методика досліджень

Об'єктом досліджень обрано місто Харків, великий індустріальний центр, для якого питання екологічної оцінки є актуальними. Місто Харків знаходиться у Лівобережному Лісостепу України на південній межі з Степом. Його територія, яка займає понад 400 км², є поєднанням ділянок широко листяного лісу, змішаного лісу та степу, які диференціюються за типами рельєфу і умовами зволоження.

Оскільки актуально мати картину дії забруднюючих речовин на окремі елементи системи урболандшафту та їх перерозподілу в системі грунт-рослина, предметом наших досліджень визначено поверхневий шар грунту та рослинність рекреаційних масивів на території міста.

Вимірювався вміст хімічних елементів: Ni, Cr, Mn, Co, Zn, Cu, Pb у зразках грунту та рослинності експресним методом, який розроблений на базі ренген-флюоресцентного спектрофотометру СРМ-25. Це багатоканальний спектрометр, який має великі можливості для визначення хімічного складу грунтів та рослин. Всі без винятку прийоми рентгеноспектрального аналізу грунтуються на порівнянні інтенсивностей аналітичної лінії рентгенівського спектру від стандартних зразків, де вміст елементу відомий, порівняно із зразком, який визначається. В даній методиці використовувались стандарти, які виготовлені в СНГ (СП-1, СП-2, СП-3). Визначення рухомої форми ВМ у грунті проводилось для амонійно-ацетатного розчину з рН 4,8 за Крупським-Олександровою, до якого відносяться водорозчинні та іонообмінні форми ВМ, на атомно-абсорбційному спектрофотометрі С-115М.

4. Вміст важких металів у грунтах міста

Міські грунти утворені під впливом тих же факторів, що і природні, але при значному домінуванні антропогенного фактору. У цій главі дається характеристика особливостей міських грунтів, їх функцій в порівнянні з нативними. Описується вплив промислових забруднень на процеси, які відбуваються у грунті. Подано детальну характеристику вмісту важких металів у поверхневому шарі грунту лісопарків міста Харкова.

За допомогою статистичного аналізу визначено екологічні оцінки забруднення грунту зон рекреації та педогеохімічні показники перевищення фонових значень вмісту елементів-забруднювачів. Дана оцінка за інтегральними показниками забруднення окремих лісопаркових зон, які перебувають під гнітом поліелементного забруднення, що показано в таблиці 1. Значний рівень поліелементного забруднення багатьма інгредієнтами виявлено для парків ім. Артема, 40- річчя ВЛКСМ, Молоді, Олексіївського лугопарку. Помірне забруднення присутнє на території парків Основа, Юність, Маяковського, ім. Шевченка, Жукова, Горького, Григорівського бору.

Таблиця 1. - Інтегральні показники забруднення лісопаркової зони м. Харкова

№	Територія відбору зразків	Показник	Складові забруднення
1	п. ім. Артема	5	Ni, Cr, Cu, Pb
2	Гідропарк	1.2	Pb
3	Основ'янський лугопарк	1.4	Pb
4	п. Основа	2.2	Cr, Pb
5	п. Юність	2.6	Cr, Pb
6	п. ім.Маяковського	2.4	Cr, Pb
7	п. 40-річчя ВЛКСМ	3.6	Cr, Cu, Pb
8	Лісопарк	1.3	Pb
9	Олексіївський лугопарк	3.9	Cr, Zn, Pb
10	Григорівський бір	2.5	Zn, Pb
11	п. ім. Шевченка	2.6	Cr, Pb
12	п. ім. Жукова	2.2	Cr, Pb
13	п. ім. Горького	2.4	Cr, Pb
14	п. Молоді	3.4	Cr, Pb

Аналіз просторового розподілу забруднювачів на території міста дозволив визначити основні тенденції їх накопичення. Спостерігається різний розподіл величини вмісту важких металів у грунтах. Наведені в таблиці показники забруднення грунту проілюстровані на рисунках 1-3, де показані типові структури просторового розподілу хімічних елементів на території міста Харкова. Для таких металів, як нікель, марганець, цинк характерний монотонний радіальний розподіл величини їх вмісту відносно центру (рис. 1). Структура просторового розподілу хрому та міді має сідловидний характер. Виділяються 2 напрямки з протилежними тенденціями зростання (рис. 2).Такі типові забруднювачі урболандшафтів як свинець та кобальт мають поліцентричне поширення з декількома ореолами з особливо високим вмістом (рис. 3).

5. Стан рослинності м. Харкова під впливом антропогенного навантаження

Завдяки методам фітоіндикації, про загальний стан рослин можна судити спостерігаючи за морфологічними змінами рослинних угрупувань, зокрема визначаючи ступінь пошкодження листової поверхні (Шуберт, 1988). Дія забруднюючих речовин стосується, в першу чергу, розвитку листових некрозів та хлорозів.

Паралельно з хімічним аналізом проведено оцінку враження листових пластинок дерев та трав'янистих видів рослин хлорозом. У однодольних, таких як тонконіг вузьколистий, тонконіг лучний, спостерігається хлороз кінчиків листя. У дводольних - конюшини повзучої, кульбаби лікарської, гравілату міського - плямистий хлороз з переходом у некроз. Листя дерев, особливо з гладкою поверхнею, у промислових районах до 45 % вражене хлорозом. За спостереженнями, рослинність на території таких зелених зон з несприятливими умовами, як парк ім. Артема, ім.Шевченка, Молоді, 40-річчя ВЛКСМ відрізняється від природних угрупувань на екофізіологічному рівні: запізнілим розвитком, укороченням пагонів, пригніченістю росту, морфологічними змінами, на біоценотичному рівні: розрідженим трав'янистим покривом і, як наслідок, зниженням біопродуктивності; насиченістю рослинних угрупувань рудеральними видами, серед яких часто зустрічаються кропива дводомна, циклахена звичайна, пирій повзучий, розрив-трава дрібноквіткова та ін.

Вплив забруднення грунту та повітря на стан рослинності не завжди є прямим. Хімічні елементи можуть вражати імунну систему організмів, що змінює їх стійкість до грибкових, вірусних захворювань та інших природних стресів. За нашими дослідженнями відзначалося враження грибковими захворюваннями, які в деяких випадках вражали до 30-50 % поверхні листової пластинки. Такі породи дерев, як: клен гостролистий були вражені чорною плямистістю - Rhitisma acerinum (Pers) та мучнистою росою Uncinula aceris Sacc., клен татарський - Rhitisma punctatum Fr, дуб - мучнистою росою Microsphaerella alphitoides Griffiet Maubl. На тополі спостерігалися бурі та чорні плями - Mycosphaerella maculiformis (Pers) і Apiosporum salicinum (Pers.) Kze., на черемсі - Gnomonia tiliae. Kleb., на крушині - Cylindrosporium rhamni Ell. et Ev., на липі - Gnomonia tiliae (Oud). Такі захворювання призводять до зменшення фотосинтетичної поверхні, ослаблення рослин, і, внаслідок, до суттєвого пониження приросту пагонів та деревини у цілому.

6. Вміст важких металів у рослинах

Для проведення хімічного аналізу вмісту ВМ у рослинах застосовано листовий метод, за яким береться до уваги показник ВМ у листі рослин та дерев (Ohki, 1984, Ильин, 1985, Волошин, 1998). На вміст ВМ було проаналізовано листя 23 видів рослин, відібраних на території 20 рекреаційних зон.

У главі даємо детальну характеристику п'яти найбільших парків міста, де враховується видовий склад, вміст ВМ в різних видах рослин, діапазони варіювання та види рослин з максимальним накопиченням елементів. Проаналізовано видовий склад рослин на здатність до поглинання ВМ. Більшу кількість елементів на території лісопаркової зони накопичують злаки та листя видів дерев, в яких розсічена будова листової пластинки, або ж є опушення чи восковий наліт (що пояснюємо сильнішою фіксацією ВМ на поверхні).

Детальний аналіз величин хімічних елементів дав можливість встановити наступні закономірності в інтенсивності акумуляції їх у листовій поверхні дослідних дерев. Для більшості видів, а саме клена американського, гостролистого, дуба звичайного, тополі чорної, ясеня звичайного, каштана кінського, сосни звичайної та ялини колючої в інтенсивності накопичення хімічних елементів виявлені такі закономірності: Mn > Fe > Zn > Pb > Cu > Ni > Cr > Co. Для видів в'язу голого та гладкого і робінії псевдоакації: Fe > Mn > Zn > Pb > Cu > Ni > Cr > Co. Для верби плакучої: Mn > Zn > Fe> Pb > Cu > Ni > Cr> Co. Для липи серцелистої цей ряд становив виняток: Mn >Fe > Zn > Pb > Cu > Ni > Co > Cr.

Інтенсивність акумуляції хімічних елементів у різних видів трав'янистих рослин дещо відрізняться від розподілу їх у деревних порід. Всі види досліджених рослин віддають перевагу поглинанню заліза. Далі кількість вмісту важких металів розташована за слідуючою схемою. Гравілат міський, подорожник великий та полинь звичайна акумулюють хімічні елементи у слідуючому порядку: Fe > Zn > Mn > Pb > Cu > Ni > Cr > Co. Для всіх інших видів цей розподіл має вигляд: Fe > Mn > Zn > Pb > Cu > Ni > Cr > Co.

Для кожного виду рослин розраховували коефіцієнт біологічного поглинання (КБП), або рослинно-грунтовий коефіцієнт (РГК), який дорівнює відношенню вмісту ВМ у рослинах до їх вмісту у грунті. Цей коефіцієнт є показником того, наскільки хімічний елемент за даних умов може бути поглинутим різними видами рослин. Типові порівняльні результати аналізу (КПБ), коефіцієнта переходу ВМ у системі грунт-рослина ми наводимо у таблиці 3 для різних видів рослин відібраних на території з різними умовами. Не дивлячись на те, що, валовий вміст елементів у грунті в декілька разів перевищує фонові значення та подекуди і ГДК, в рослинах їх вміст варіює в неширокому діапазоні. По РГК можна судити про низьку біологічну доступність хімічних елементів для рослин у грунті на досліджуваній території, а також про специфіку окремих видів рослин до поглинання хімічних елементів.

Відомо, що деяким видам рослин властиве накопичення досить великих кількостей елементів, а інші нездатні до накопичення. Проведений аналіз трав'янистих рослин з приводу екологічної специфіки накопичення досліджуваних елементів в системі грунт-рослина.

Таблиця 2. - Вміст хімічних елементів (мг/кг) та РГК у різних видів трав'янистих рослин на території лісопарків м Харкова

1. Кульбаба лікарська (Taraxacum officinale Webb ex Wigg); 2. Гравілат міський (Geum urbanum L.); 3. Тонконіг вузьколистий (Poa angustifolia L.); 4. Грястиця звичайна (Dactylis glomerata L.); 5.Костриця червона (Festuca rubra L.); 6. Пирій повзучий (Elitrigia repens (L). Nevski).

В таблиці 3 показаний діапазон варіювання ВМ у трав'янистих видів рослин.на території міста.Найбільш інформативними видами за вмістом ВМ у рослинах вважаємо ті, де вміст варіює найбільше. До них відносимо кульбабу лікарську майже до всіх досліджуваних металів, крім Сo та Cu, подорожник великий до Сr та Zn. Їх можна вважати чутливими до зміни вмісту ВМ у грунті та віднести до індикаторів стану забрудненості навколишнього середовища.Види, які мають найменшу різницю варіювання відносимо до токсико-толерантних, стійких до накопичення забруднювачів у рослинній масі. За нашими даними, такими до деяких металів є злаки, а саме - костриця червона та тонконіг вузьколистий стійкі до поглинання Ni, Cr, Co, Cu, Pb, і люцерна романська (сімейство бобових) - до всіх досліджуваних металів крім Mn).Ці види рослин можна рекомендувати для вирощування зелених кормів на приміських територіях та ділянках в зоні техногенної діяльності.

Таблиця 3.- Діапазони варіювання ВМ у різних видів трав'янистих рослин на території лісопаркових зон м. Харкова

Математична модель міграції важких металів у системі грунт-рослина

На основі фізико-хімічних та візуальних спостережень виділені такі етапи вегетаційного розвитку щодо здатності поглинання ВМ рослинами:

наростання вмісту важкого металу в організмі що випереджає збільшення фітомаси;

стабілізація процесу у фенофазі закінчення активного вегетаційного розвитку через сповільнення зростання фітомаси при тому ж таки темпі поглинання мікроелементу;

надмірність відносного вмісту важкого металу через зупинку вегетації (звичайно під час дозрівання) й перетворення мікроелементу на токсин; спрацювання захисних фізіологічних механізмів захисту від токсину;

стабілізація або пригнічення рослини (стан, коли вона набуває індикаційного значення).

Метод системного аналізу застосований для кількісного вивчення наведеної якісної схеми динаміки перерозподілу важких металів (ВМ) у системі грунт-рослина протягом вегетаційного періоду. Побудована детальна камерна модель такої системи, яка враховує всі можливі механізми міграції забруднювачів між її підсистемами, та процеси обміну ВМ з зовнішнім середовищем. Введена і обгрунтована теоретично система показників - коефіцієнтів переходу, які описують інтенсивність обміну ВМ між ланками системи грунт-рослина

Виходячи з результатів експериментальних (у главі 5) і теоретичних досліджень встановлено, що наприкінці вегетаційного періоду система опиняється у стаціонарному стані, коли забруднення в рослинах перестають накопичуватись, внаслідок припинення фізіологічно активних процесів поглинання хімічних елементів. Проведений теоретичний аналіз експериментальних даних по визначенню вмісту ВМ у грунті та рослинах у цей період. В результаті визначені числові значення коефіцієнту , що описує інтенсивність поглинання ВМ рослинами з грунту та одержані оцінки для інших коефіцієнтів переходу. Показано, що значення , на відміну від решти коефіцієнтів переходу, суттєво залежить від типу рослин і від хімічної природи забруднювача.

Побудований оператор (матриця) еволюції перерозподілу забруднень у системі грунт-рослина, що представлений у вигляді суми двох доданків. Перший з них описує подальший перерозподіл забруднювачів, що знаходились у системі в початковий момент часу, а другий - еволюцію частини забруднень, що надійшла до системи аеральним шляхом. Запропонований метод, що дозволяє врахувати суттєво нестаціонарний характер надходження в систему забруднень з повітря.

Отримані результати дають змогу визначити величини забруднення грунту та рослин, нормовані на початкове забруднення грунту, в будь-який момент вегетаційного періоду. Вони придатні для довільних співвідношень між інтенсивностями процесів обміну забруднювачами між ланками системи грунт-рослина і з зовнішнім середовищем, і дозволяють будувати різноманітні наближення, що враховують ті чи інші властивості конкретних систем. Доведено, що характер еволюції забруднення одиниці рослинної маси суттєво залежить від співвідношення між інтенсивностями поглинання забруднень рослинами і зростанням їх біомаси. Типові графіки, що ілюструють таку залежність, приведені на рис. 5 (а і б). На зображених графіках прийняті такі позначення:

m(t) - біомаса рослин, y(t) - абсолютне значення вмісту ВМ у рослинах, нормоване на фонове забруднення грунту; - вміст ВМ у одиниці рослинної маси. Наявність екстремумів, характерна для обох малюнків, пояснюється протидією двох конкуруючих процесів: поглинання забруднювачів і їх перерозподілу по зростаючій рослинній масі. Протягом I (рис. 5а) та I, III (рис. 5б) періодів переважає процес швидкого накопичення ВМ у рослинах. Етап II (рис. 5а, 5б) відповідаює більш інтенсивному зростанню біомаси. Протягом III (рис. 5а) та IV (рис. 5б) періодів обидва процеси стабілізуються. Різниця між двома залежностями пояснюється різним характером співвідношення інтенсивностей двох зазначених процесів у хронологічному розвитку.

Отримані результати дають змогу визначити період, протягом якого вміст ВМ у одиниці біомаси рослин має найбільше значення і аналізувати результати експериментів по одночасному вивченню величини забруднень грунту та рослин. Необхідно враховувати залежність забрудненості (кількості важкого металу у одиниці біомаси) від часу, що є дуже актуальним для визначення термінів сінокосіння, збору врожаю тощо. В зонах інтенсивної техногенної діяльності потрібно враховувати період, коли врожай придатний для використання, а забрудненість рослинної сировини найменша.

Висновки

Основним методологічним результатом дисертаційного дослідження є доказ можливості оцінки забрудненості міського середовища важкими металами шляхом визначення стану систему "грунт-рослина".

На основі власних експериментальних даних встановлено ступінь забрудненості середовища важкими металами. На більшості лісопаркової території міста присутнє інтенсивне педогеохімічне забруднення (в порівнянні з фоновим вмістом) шкідливими інгредієнтами, такими як Pb, Zn, Cu, Cr, Ni.

Складено серію комп'ютерних картосхем, що характеризують типи розподілу різних металів у межах міста. Встановлено наявність трьох типів: для таких металів, як Ni, Mn, Zn характерний монотонний радіальний розподіл величини їх вмісту відносно центру; структура просторового розподілу Cr та Cu має сідловидний характер, де виділяються 2 напрямки з протилежними тенденціями зростання; для свинцю та кобальту характерне поліцентричне поширення з декількома ореолами з особливо високим вмістом.

Інтегральні показники поліелементного забруднення свідчать про значний рівень забруднення багатьма інгредієнтами парку ім. Артема, 40- річчя ВЛКСМ, Молоді та Олексіївського лугопарку. Помірне забруднення виявлене для території парків Основа, Юність, Маяковського, ім. Шевченка, Жукова, Горького, Григорівського бору. Для решти рекреаційних зон міста можна констатувати незначне забруднення.

Встановлено наявність морфологічних, екологічних змін та зовнішнього вигляду індикативних рослин, що виділені внаслідок спостережень протягом 3 вегетаційних сезонів. За виявленням ступеня пошкодження листових пластинок дерев визначилися стійкі види до забруднення атмосфери у місті - тополя біла, дуб звичайний, клен гостролистий.

Визначилися пошкодження, що мають непряме відношення до ушкодження забруднювачами повітря, проте є наслідком зменшення імунітету рослин до забруднювачів - грибкові захворювання, серед яких частіше всього зустрічаються мучниста роса та чорна плямистість різних видів дерев.

Проведені хімічні аналізи зразків грунту та рослин, відібраних узгоджено, показали наявність різних типів зв'язків поміж вмістом у них важких металів. Рослинно-грунтовий коефіцієнт вмісту важких металів у грунті та рослинній сировині дозволяє судити про низьку доступність цих елементів на досліджуваній території. Невисока залежність металів у рослинах від їх вмісту у грунті говорить також про захисні механізми регулювання поступання забруднювачів у рослинний організм та високу буферність грунтів Харкова.

Аналіз трав'янистих рослин з приводу екологічної специфіки поглинання хімічних елементів дозволив виявити два типи рослин за відношенням до накопичення основних забруднювачів: чутливі (кульбабу лікарську - майже до всіх досліджуваних металів, подорожник великий - до Сr та Zn); токсико-толерантні (костриця червона, тонконіг вузьколистий - до Ni, Cr, Co, Cu, Pb, люцерна романська - до всіх досліджуваних металів крім Mn).

Рослини, які характеризуються чутливістю до важких металів можна віднести до індикаторів стану забрудненості. Стійкі види рослин до поглинання ВМ можна рекомендувати для вирощування зелених кормів на приміських територіях та ділянках в зоні техногенної діяльності.

8. На основі хімічного аналізу та візуальних спостережень запропонована якісна схема динаміки перерозподілу ВМ між ланками системи грунт-рослина на різних етапах вегетаційного розвитку. Побудована відповідна теоретична модель міграції ВМ між грунтом та рослинністю протягом вегетаційного періоду. Знайдений зв'язок між вмістом ВМ у грунті та рослинах та доведено, що наприкінці вегетаційного періоду система грунт-рослина опиняється в стаціонарному стані, коли забруднення у рослинах перестає накопичуватись. Теоретичний аналіз експериментальних даних дав змогу визначити і знайти чисельні значення коефіцієнтів, що описують процеси обміну ВМ між грунтом і рослинами.

9. Показано, що характер накопичення ВМ у одиниці рослинної маси суттєво залежить від співвідношення між інтенсивністю поступання ВМ до рослин і швидкості зростання їх біомаси. Доведено, що залежність вмісту ВМ у одиниці рослинної маси від часу має максимум. Отримані результати дали змогу визначити період, в який забруднення на одиницю рослинної маси є найбільшим. Доведено, що необхідно враховувати залежність забрудненості (кількості важкого металу у одиниці біомаси) від часу. Це актуально для визначення термінів сінокосіння, збору врожаю, за умови вибору такого періоду, коли врожай придатний для використання, а забрудненість найменша, особливо в зонах інтенсивної техногенної діяльності.

Рекомендації щодо впровадження результатів

1. Застосований у роботі комплексний підхід щодо проведення екологічної оцінки урболандшафтів доцільно використовувати для моніторингу міських земель, зокрема для виділення приоритетних об'єктів спостереження.

Дослідження системи грунт-рослина за вмістом важких металів у верхньому шарі грунту та рослинності може бути корисним при плануванні розміщення сільськогосподарських угідь навколо промислових об'єктів, а також для визначення ділянок з підвищеним вмістом забруднювачів на приміських землях (ділянок підвищеного ризику), де мають бути обмеження використання грунтів для вирощування сільськогосподарської продукції.

Результати математичного моделювання процесів міграції важких металів у системі грунт-рослина протягом вегетаційного періоду допоможуть визначити оптимальні терміни для збирання врожаю, з метою контролю надходження продуктів з надмірним їх вмістом до харчового ланцюга тварин та людини.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

Бортнік Л.М. Вплив антропогенного навантаження на вміст ВМ у системі грунт-рослина//Вісник аграрної науки.- Київ, 1999. -№10 - С. 78.

Бортнік Л.М. Оцінка поліелементного забруднення грунтового покриву лісопарків м. Харкова//Вісн. Львів. ун-ту. - Львів, 1999.- Вип. 25.- С. 89-90.

Черваньов. І.Г., Бортнік Л. М., Ричак Н. Л. Вплив забруднення на якість та стан грунтів великого міста та засади його моніторингу (на прикладі Харкова)// Наук. Вісн. Ін-т менеджм. та екон.-Ів-но-Фр-к., 1999. - С. 195-202.

Бортник Л.М. Забруднення грунту важкими металами та стан рослинності на території міста Харкова//Агрохімія та грунтознавство. Спеціальний випуск до V з`їзду грунтознавців. -Харків, 1998.- ч. IV.- С. 207-214.

Бортник Л.Н., Черванев А.И. Модель распределения загрязнений в системе почва-растение в приложении к методу биоиндикации// Вісн. Харк. ун-ту.-Харків, 1998. - №402. - С. 182-186.

Бортник Л.Н. Содержание тяжелых металлов в почве и в растениях лесопарковой зоны г.Харькова// Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих вчених м.Харкова: Зб. наук. пр.- Харків, 1998. - С. 152-155.

Черваньов І.Г., Бортнік Л.М,. Ричак Н.Л. Вплив забруднення на якість та стан грунтів великого міста (на прикладі Харкова)//Укр. геогр. журн.- 1996.- №1. - С.24-31.

Бортнік Л.М. Застосування методу біоіндикації для моніторингу екологічного стану міського середовища//Матеріали конф. "Екологічні проблеми регіону: суть і шляхи вирішення". - Полтава. -1997.- С. 164.

Бортник Л.Н. Загрязнение почвы г. Харькова химическими элементами// Матеріали IV Міжнародної конференції "Франція та Україна, науково-практичний досвід у контексті діалогу національних культур". - Дніпропетровськ. - 1997. - С. 10.

Бортник Л.Н. Корреляция элементного загрязнения различных видов растений и почвы на территории города Харькова// Матеріали конф. "Грунти України: екологія, еволюція, систематика, окультурення, оцінка, моніторинг, географія, використання". - Харків.- 1996. - С. 183.

Бортник Л.Н. Применение метода биоиндикации на примере содержания тяжелых элементов в Acer Campestre L.//Матеріали конф. "Актуальные вопросы ботаники и экологии". - Харьков.-1996.- С.21.

Бортник Л.Н. Лабораторная обработка данных о загрязненности растительности на территории Харькова тяжелыми металлами// Материалы 2-й конф. "Применение персональных компьютеров в научных исследованиях и учебном процессе". -Харьков.-1996.- С.54.

Анотація

Бортнік Л.М. Екологічна оцінка урболаншафтів за вмістом важких металів у системі грунт-рослина (на прикладі м.Харкова).-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00. 16 - екологія. Дніпропетровський державний університет, Дніпропетровськ, 1999.

Досліджений вміст важких металів у грунтах та рослинахі лісопаркової зони міста Харкова. Проведена екологічна оцінка забруднення поверхневого шару грунтового покриву. Складені картосхеми геохімічних ореолів розсіювання основних забруднювачів екосистеми. Проведена оцінка стану рослинного покриву методом біоіндикації. Виявлено види рослин, які толерантні до забруднення важкими металами. Проведений системний аналіз перерозподілу забруднення у системі грунт-рослина. Отримані результати дозволили вивчити характер розподілу забруднень у ланках урбоекосистеми міста Харкова.

Ключові слова: урболандшафт, забруднення, важкі метали, біоіндикація, система грунт-рослина.

Аннотация

Бортник Л.Н. Екологическая оценка урболандшафтов по содержанию тяжелых металлов в системе почва-растение (на примере г.Харькова) - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.16. экология, Днепропетровский государственный университет, Днепропетровск, 1999.

Исследовано содержание тяжелых металлов в почвах и растениях лесопарковой зоны города Харькова. Проведена экологическая оценка загрязнения поверхностного слоя почвенного покрова. На большей части лесопарковой территории города присутствует интенсивное педогеохимическое загрязнение (в сравнении с фоновым содержанием) вредными веществами, такими как Pb, Zn, Cu, Cr, Ni.

Составлены компьютерные картосхемы, которые характеризуют типы распределения разных металлов в почвах в черте города. Для Ni, Mn, Zn характерно монотонное распределение величин их содержания относительно центра города. Для Cr та Cu в структуре распределения выделяются две противоположных тенденции увеличения. Для свинца и кобальта характерно полицентрическое распространение с несколькими ореолами высокого содержания.

Интегральные показатели полиэлементного загрязнения свидетельствуют о значительном уровне загрязнения многими ингредиентами парка им. Артема, 40-летия ВЛКСМ, Молодежи и Алексеевского лугопарка. Умеренное загрязнения определили на территории парков Основа, Юность, им. Маяковского, им. Шевченка, им. Жукова, им. Горького, Григоровского бора. На остальных территориях присутствует незначительное загрязнение тяжелыми металлами.

По результатам визуальных наблюдений, установлены морфологические, экологические изменения растительного покрова. Анализ пораженности листовой пластинки по шкале оценок показал устойчивые виды к атмосферному загрязнению - тополь черный, дуб обыкновенный, клен остролистный. Определились поражения, которые имеют косвенное отношение к загрязнителям воздуха - грибковые заболевания. Среди них чаще всего встречаются мучнистая роса и черная пятнистость разных видов деревьев.

Химический анализ растительной массы показал следующее: Растительно-почвенный коэффициент или коэффициент поглощения тяжелых металлов растительностью из почвы позволяет говорить о низкой доступности этих элементов для растений. Невысокая зависимость металлов в растениях от их количества в почве свидетельствует о работе защитных механизмов регуляции поступления загрязнителей в растительный организм и высокую буферность почв на территории г. Харькова.

Проводился анализ травянистых видов растений на предмет специфики поглощения отдельных тяжелых металлов, с помощью которого установлено два основных типа растений по отношению к накоплению загрязнителей - чувствительные и устойчивые виды растений. К чувствительным видам относим одуванчик лекарственный (почти ко всем исследуемым элементам) и подорожник большой (к хрому и цинку). К токсико-толерантным видам принадлежат: злаковые - овсяница красная, мятлик узколистный (устойчивы к никелю, хрому, кобальту, меди и цинку); из бобовых - люцерна романская (устойчива ко всем исследуемым элементам, кроме марганца).

Растения, которые характеризуются чувствительностью к загрязнителям можно использовать как индикаторы состояния загрязнения. Устойчивые виді растений к поглощению тяжелых металлов можно рекомендовать для выращивания зеленых кормов на пригородных землях и участках в зоне техногенной деятельности.

На основании химического анализа и визуальных наблюдений предложена качественная схема динамики перераспределения тяжелых металлов между звеньями системы почва-растение на разных этапах вегетационного развития растений. Построена соответственная теоретическая модель миграции тяжелых металлов в почве и в растениях на протяжении вегетационного периода. Определена связь между содержанием тяжелых металлов и доказано, что система почва-растение в конце вегетационного периода оказывается в стационарном состоянии, когда накопление загрязнения прекращается. Теоретический анализ экспериментальных данных дал возможность определить и найти численные значения коэффициентов, которые описывают процессы обмена тяжелыми металлами между почвой и растениями.

Показано, что характер накопления тяжелых металлов на единицу растительной массы существенно зависит от соотношения между интенсивностью поступления тяжелых металлов в растения и скоростью увеличения их биомассы. Доказано, что зависимость содержания тяжелых металлов на единицу растительной массы от времени имеет максимум.

Полученные результаты дали возможность определить период, в который загрязнение на единицу растительной массы является наибольшим. Доказано, что необходимо учитывать зависимость загрязнения (количества вредного элемента в единице растительной массы) от времени. Результаты являются очень актуальными для определения сроков сенокошения, сбора урожая и др. при условии определения такого периода, когда урожай пригоден для употребления, а загрязненность наименьшая, особенно в зонах интенсивной техногенной нагрузки.

Ключевые слова: урболандшафт, загрязнение, тяжелые металлы, биоиндикация, система почва-растение.

Annotation

Bortnik L.N. The ecological estimation of urbolandscape under the contents of heavy metals in soil- plant system (as example for Kharkiv city). - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of biological sciences on a speciality ecology. Dnepropetrovsk state university, Dnepropetrovsk, 1999.

The heavy metals content was investigated in both soil and plants of Kharkіv forest parks. The ecological estimation has been carried out for pollution contents in the top layer of soil. The geochemical areas were mapped out for distribution of main pollutants in ecosystem. The condition of the plants was estimated by means of methods of bioindication. The system analysis of the pollutant distribution in soil-plant chain was carried out. The results made it possible to investigate the pollutant distribution in the urboecological subsystems of Kharkіv city.

Key words: urbolandscape, pollution, heavy metal, bioindication, soil-plant-system.

Размещено на Allbest.ru

...