Биогеохимическая индикация экологического состояния урбоэкосистем севера (на примере Архангельска)

На правах рукописи

Содержание работы

1. Экологическая роль почвенно-растительного покрова в промышленном городе

Структурно-функциональные свойства природного комплекса города во многом зависят от характера и силы антропогенного воздействия. Поэтому актуальной является проблема качественных и количественных оценок техногенной трансформации отдельных природных компонентов и самих геокомпонентных ландшафтных связей в условиях городской геотехсистемы с выходом на конечное звено этих связей - почвенно-растительный покров, выполняющий в городе важнейшие санитарно-гигиенические функции (Природный комплекс…, 2000).

Растительности принадлежит огромная воздухоочистительная роль, т.к. она вместе с почвами выполняет единую функцию природных фильтров атмосферного воздуха. Поэтому состояние зеленых насаждений является одним из основных индикаторов устойчивости природного комплекса в урбанизированной среде и остроты экологической ситуации в городской геотехсистеме. Непосредственным фактором, определяющим состояние зеленых насаждений, является плодородие почв, которое, в свою очередь, зависит от содержания в них доступных растениям соединений азота, фосфора, калия и других элементов-биофилов (Бакина и др., 1996; Почва…, 1997; Герасимова и др., 2003). Однако данных по содержанию питательных элементов в городских почвах и особенно растениях в научной литературе недостаточно. природный растительный архангельск

Антропогенные нарушения почвенного покрова приводят к серьезным нарушениям и деградации всего природного комплекса, что в конечном итоге создает угрозу здоровью и жизни человека в городе. Для почв, находящихся в условиях техногенеза необходима оценка их экологического состояния, прежде всего, определение уровня загрязнения тяжелыми металлами. Тяжелые металлы аккумулируются почвой на определенный срок и, входя в миграционные циклы природного комплекса, создают новые техногенные аномалии.

Оценка городской среды должна проводиться с учетом ответных реакций геосистемы и растений на процессы урботехногенеза, объединяя метод фитоиндикации с геохимическими методами.

Особой уязвимостью отличается природа Севера. Техногенное воздействие здесь приводит к нарушению экосистем значительно большему, чем при равных условиях в южных зонах. Изучение закономерностей развития и функционирования городских экосистем Севера, исследование механизмов действия техногенных и экологических факторов на растения и закономерностей миграции элементов-биофилов и загрязняющих веществ в почвенном покрове позволяет судить о степени экологического благополучия в данной местности (Мосеева и др., 1995; Попова и др., 2001; Наквасина, Попова, 2002; Надеин, Тарханов, 1998, 2004; Бабенко, 2006). Оценка экологической ситуации в северных регионах, в суровых условиях которых происходит особенно активная деградация и ослабление экологических функций городских почв, имеет весьма фрагментарный характер. Это свидетельствует об актуальности проведения комплексных исследований почвенно-растительного покрова для оценки экологического состояния урбоэкосистем Архангельска.

2. Естественно-историческая характеристика и экологическое состояние района исследования

Проведен анализ литературных данных о природно-исторической характеристике района исследования. Для Архангельска характерна четкая «возрастная» зональность города, относительно низкая годовая температура, высокая влажность, промывной тип водного режима, почвообразующие породы представлены преимущественно моренными отложениями и торфами. Дана характеристика почвенного и растительного покрова.

Выявлены возможные источники поступления тяжелых металлов и биофильных элементов в почвы. Основными поллютантами Архангельского промышленного узла являются бенз(а)пирен, метилмеркаптан, формальдегид, оксиды азота, H₂S, SO₂, CO, Zn, Co, Pb, Sr, Ni, Mo, P, Cr, Mn, Cu. Основной вклад в выбросы от стационарных источников вносят ТЭЦ (ТЭЦ-1, ТЭЦ-2, Архангельская ТЭЦ), предприятия машиностроения, особенно те, которые имеют гальванические цеха (Соломбальский машиностроительный завод, завод "Красная Кузница") - на их долю приходится около 90%, - остальную часть составляют выбросы предприятий лесной, деревообрабатывающей промышленности, целлюлозно-бумажной (ОАО "АЦБК" и ОАО "СЦБК"), предприятия жилищно-коммунального хозяйства и очистные сооружения. Вклад автотранспорта в суммарный выброс в Архангельске составляет более 60 %. Составлена карта-схема территориального расположения основных стационарных источников загрязнения Архангельска с указанием предполагаемых направлений переноса загрязнителей. Рассмотрены возможные варианты вторичного поступления тяжелых металлов и биофильных элементов в атмосферный воздух, грунтовые и поверхностные воды из загрязненных городских почв, участие растений в их круговороте.

3. Объекты и методы исследований

Объектами исследований являлись основные типы городских почв, наиболее часто встречающиеся на территории Архангельска: реплантоземы, урбаноземы, культуроземы и растения, произрастающие на них. Подбирались наиболее распространенные древесные растения (береза, ива, тополь), а также растения напочвенного покрова (смешанный образец). У древесных растений отбирали образцы листьев, ветвей (1 и 2-го года), коры и корней.

В качестве контроля (эталона сравнения) для городских почв и растений была выбрана природная дерновая маломощная легкосуглинистая почва, сформировавшаяся на суходольном лугу в районе д. Бабонегово Приморского района Архангельской области, и растения, произрастающие в данной местности. Такой выбор был обусловлен тем, что процесс образования почв в Архангельске протекает по дерновому, а не по подзолообразовательному типу, характерному для региона.

В городе на участках, отличающихся по времени формирования почв, заложено 58 пробных площадей, с которых для изучения пространственной вариабельности некоторых показателей свойств почв были взяты смешанные образцы из верхнего слоя 0 - 20 см (ГОСТ 17.4.4.02-84). В 35 точках на территории города сделаны почвенные разрезы. Их описание проводили согласно общепринятым методикам с учетом рекомендаций по изучению городских почв (Методические указания…, 1996; Строганова и др., 1997; Наквасина и др., 2006).

Отбор, хранение и транспортировка проб почв, отобранных для анализа на биофильные элементы и тяжелые металлы, осуществлялись в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84.

Отбор проб растений проводился следующим образом: для учета общего выноса питательных элементов и накопления тяжелых металлов в условиях городской среды брали образцы органов растений в период окончания вегетации (сентябрь), для изучения сезонной обеспеченности разных видов растений биофильными элементами отбор проб проводился несколько раз за вегетацию (25 - 30 июня, 25 - 30 июля, 25 - 30 августа). Надземную часть травянистого покрова срезали "под корень" ножницами по диагоналям пробной площади. Листья и ветви отбирались на высоте 1,5 - 2,0 м по периметру кроны. Пробы коры отбирались с нескольких близстоящих деревьев на высоте 1,0 - 1,5 м по окружности ствола. Толщина стружки 2 - 3 мм. Деревья для отбора проб выбирались по возможности одновозрастные, здоровые. Отобранные пробы не отмывались. Образцы корней в день взятия проб отмывались от почвы при помощи тонкой струи воды. Почва при этом смывалась на сито (с размером ячеек 0,5 мм) для того, чтобы исключить потерю оторвавшихся корешков. Из сита почва небольшими порциями переносилась в таз с водой, тщательно перемешивалась руками и несколько раз декантировалась на другое чистое сито (Бобрицкая, 1958; Определение химического…,1997). Отобранные пробы растений высушивали в бумажных пакетах до воздушно-сухого состояния и озоляли сухим методом (Методические рекомендации…, 1981; Определение химического…,1997).

В образцах почв проводили определение подвижных форм фосфора и калия, в растительном материале - общее их содержание. Содержание в образцах почв и растений фосфора и калия определяли методом Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26207-91) в испытательной лаборатории на станции агрохимической службы "Архангельская", дополнительно определение фосфора проводили методом Труога-Мейера (Агрохимические…,1975) и калия - методом прямой потенциометрии (Пискунов, 2004) на базе лаборатории мониторинга природных сред кафедры химии ПГУ. Определение нитратного азота проводилось по методу ЦИНАО (ГОСТ 26488-85), аммонийного - колориметрическим методом с применением реактива Несслера (Бусев, 1963). Определение обменных кальция и магния проводилось трилонометрическим методом (ГОСТ 26487-85). Валовое содержание тяжелых металлов (свинца, цинка, меди, ртути, кадмия) в образцах почв и растений определяли приближенно-количественным спектральным методом (ПКСА) в производственном химико-аналитическом центре ОАО "Архангельскгеолдобыча". Содержание подвижных форм тяжелых металлов (Cu, Zn, Fe, Ni, Co, Mn) в образцах почв определяли колориметрически, а Pb - методом атомно-абсорбционной спектроскопии. Исследование химических свойств было проведено на образцах почв и растений в 2 - 5 повторностях.

Для оценки уровня обеспеченности почв и растений элементами питания или их загрязнения тяжелыми металлами расчитывали показатели: коэффициент концентрации химического вещества (Кк) и суммарный показатель загрязнения (СПЗ), поскольку антропогенные аномалии чаще всего имеют полиэлементный состав. Оценка степень подвижности тяжелых металлов (К_П) в почвах Архангельска.

Для установления видовой специфики растений и влияния условий их произрастания (тип почвы и её свойства) на интенсивность поглощения биофильных элементов и тяжелых металлов был использован коэффициент биогеохимического поглощения (КБП) (Уфимцева, Терехина, 2005).

Особенности обеспеченности городских почв биофильными элементами и распределения отдельных элементов-индикаторов загрязнения на изучаемой территории отражены в моноэлементных картах центральной части Архангельска. При районировании территории по уровню содержания в почве подвижных форм фосфора, калия, кальция, магния и минеральных формам азота (аммонийного и нитратного) использованы общепринятые в почвоведении шкалы (Справочник по удобрениям…, 1986; Практикум по агрохимии, 1997; Химический анализ …, 1995). Разработаны шкалы по уровню содержания тяжелых металлов в почвах.

4. Биофильные элементы в системе почва - растение в условиях городской среды Архангельска

4.1 Содержание подвижных форм биофильных элементов в почвах

Оценку уровня обеспеченности почв Архангельска биофильными элементами провели, анализируя данные о содержании их в верхнем слое почвы (0 - 20 см) и почвенном профиле.

Накопление обменных форм фосфора, калия, кальция и других элементов в почвах Архангельска связано с геологическим строением и промывной способностью грунтов на территории города. Для территорий Архангельска характерен концентрический тип распределения биофильных элементов: максимальная их локализация отмечена по периферии города, на территории старой исторической зоны, где почвообразующей породой является тяжелая морена, в центре современного Архангельска, расположенном на торфах с песчаной отсыпкой, отмечен минимум накопления биофильных элементов.

Содержание всех рассмотренных биофильных элементов в городских почвах Архангельска в большинстве случаев превышает их содержание в природных почвах, это прежде всего связано с их технофильным поступлением в атмосферный воздух, а затем с осадками в почву, и поверхностные воды с последующей сорбцией в почвенном покрове. Меньше биофильных элементов, по сравнению с урбаноземами и культуроземами, накапливается в реплантоземах - почвах новостроек (табл. 1). Накопление нитратов в почвах связано с транспортной нагрузкой (r = 0,79) на автомобильных трассах (улицах и проспектах города).

4.2 Миграция биофильных элементов в почвах г. Архангельска

Анализ полученных данных показал, что миграция подвижных форм биофильных элементов по профилю разных типов почв Архангельска отличается от таковой в природных почвах и, ограничена сорбционными барьрами (как правило, имеет гумусово-аккумулятивный характер). Максимальное количество химических элементов сосредоточено в верхних горизонтах, наиболее богатых гумусом.

Вниз по почвенному профилю содержание элементов снижается, иногда очень резко, что, прежде всего, может быть связано с опесчаниванием почв. Характер распределения мигрирующих элементов зависит от типа почв, их механического состава, обеспеченности органическим веществом и других свойств.

В урбаноземах и культуроземах наблюдается близкий характер миграции биофильных элементов по почвенному профилю, с накоплением их на гумусовых сорбционных барьерах в верхних горизонтах. В реплантоземах четких закономерностей распределения биофильных элементов не прослеживается. Это связано с вещественным составом слоев данных почв, их опесчаненностью, оторфяненностью, наличием прослоек строительно-бытового мусора, которые формируют социальные барьеры. Часто содержание химических элементов резко изменяется по горизонтам их почвенных профилей.

Таблица 1. Среднее содержание подвижных форм биофильных элементов в верхнем слое (0 - 20 см) различных типов почв Архангельска, мг/кг

Примечание: n - количество участков исследования; * - по данным М.Н. Строгановой и др. (Почва. Город…, 1997);** - по данным И.Ю. Борцовой (Техногенное загрязнение…, 2007).

Распределение биофильных элементов по почве зависит также от миграционных свойств элементов, которые обладают разной подвижностью и особенностями закрепления в почве. В городских почвах наименьшей миграционной способностью обладает фосфор.

4.3 Биофильные элементы в растениях

Накопление биофильных элементов различными растениями отличается, большее их содержание характерно для древесных растений по сравнению с травянистыми.

Растения в городе отличаются от однотипных растений естественных местообитаний по уровню накопления элементов питания. Береза, ива, тополь и разнотравье при произрастании в городе испытывают дефицит фосфора в тканях, но накапливают большие количества калия и нитратного азота, что связано с разными формами их накопления в городских почвах (табл. 2).

Различные биофильные элементы потребляются отдельными органами растений естественных и городских местообитаний неодинаково: калий преимущественно накапливается в надземной части, фосфор - в корнях растений. Накопление нитратного азота в большей степени зависит от вида растений: сходное потребление его характерно для березы и тополя, и несколько отличается для ивы.

Изменение химического состава растений зависит от фазы их развития, а значит и от сезона года. Как правило, наблюдается снижение содержания всех рассматриваемых элементов (калия, фосфора и нитратного азота) в зеленых частях растений в летний период - период максимальной интенсивности всех физиологических процессов растений.

Различные виды растений отличаются по уровню поглощения элементов питания и их динамике содержания в различных органах в течение вегетативного периода.

Таблица 2. Содержание биофильных элементов в органах растений естественных и городских местообитаний (мг/кг сухого вещества)

Максимальные количества фосфора и калия накапливает тополь (445-4640 мг/кг; 1651-15518 мг/кг, соответственно), минимальные - береза (227-2512 мг/кг; 549-5422 мг/кг, соответственно), ива занимает промежуточное положение (1051-3725 мг/кг; 2189-9905 мг/кг, соответственно). По уровню накопления нитратов тополь отличается минимальными значениями (63-201 мг/кг), а береза и ива аккумулируют сходные количества NO₃^- (73-355 мг/кг).

Динамика содержания элементов питания (К₂О, Р₂О₅, NO₃^-) в течение вегетационного периода зависит от породы: у березы и тополя сходна, большие их количества накапливаются в листьях. У ивы максимальное количество фосфора и нитратного азота часто приходятся на ветви и кору.

4.4 Биофильные элементы в системе почва - растение

Распределение биофильных элементов в определенной степени зависит от геохимических характеристик почв и связано с их типами и степенью сформированности, но в то же время определяется биологическими особенностями растений. Травянистая растительность накапливает больше К₂О, Р₂О₅ и NO₃^- на урбаноземах (3900 мг/кг; 4950 мг/кг и 237 мг/кг, соответственно); ива поглощает близкие количества этих элементов на урбаноземах и реплантоземах (2050-2970 мг/кг; 5020-5036 мг/кг и 148-150 мг/кг, соответственно); береза и тополь накапливают больше калия (1500 мг/кг и 2800 мг/кг) и фосфора (5880 мг/кг и 5900 мг/кг) на реплантоземах, а нитратов (120 мг/кг и 125 мг/кг) на урбаноземах.Наблюдается тенденция изменения распределения биофильных элементов по органам растений в городских условиях, по сравнению с природными почвами. Доля калия в листьях всех изученных древесных растений (береза, ива, тополь) на городских почвах снижается, а в коре и ветвях увеличивается. У деревьев наибольший отток К₂О из листьев в другие органы наблюдается на реплантоземах, а у трав - на урбаноземах. У трав и деревьев идет накопление фосфора в корнях на всех типах почв, но набольшее - у растений естественных местообитаний. Накопление нитратов в травянистой растительности города соответствует природной. У деревьев в условиях городской среды происходит снижение роли корневого поглощения нитратов.

В городских почвах наблюдается значительное перераспределение химических элементов (К₂О, Р₂О₅, NO₃^-) в составе растительных органов. У трав на всех типах почв в надземной части и корнях увеличивается доля калия. Особенно заметно увеличение доли этого элемента в корнях травянистой растительности на культуроземах и урбаноземах, в надземной части - на урбаноземах и реплантоземах. У древесных растений в коре, ветвях и листьях на культуроземах и урбаноземах также преобладает калий, а в корнях - фосфор. Наиболее стабильное соотношение биофильных элементов в органах исследованных растений наблюдается на более развитых урбаноземах, чем на молодых почвах новостроек - реплантоземах.

Количественной мерой интенсивности (степени) накопления химических элементов растениями является коэффициент биогеохимического поглощения (КБП), представляющий собой отношение содержания элемента в растении к его содержанию в почве. С использованием результатов по содержанию элементов питания в почвенных образцах, рассчитаны значения КБП для основных растений городских и естественных ценозов.

На интенсивность поглощения биофильных элементов растениями в первую очередь влияют условия их местообитания. Поглотительная способность растений в условиях города в отношении фосфора значительно снижена, и КБП в среднем составляет 6-22, а в отношении NO₃^- - повышена (КБП = 5-10), по сравнению с растениями естественных местообитаний, для которых КБП фосфора составляет 32-46, а нитратов - 3-4. Интенсивность потребления калия травянистыми и древесными растениями сходна в естественных и городских условиях (КБП = 15-32).

Поглотительная способность отдельных органов растений в естественных и городских условиях также различается. Для всех органов исследованных растений в естественных условиях максимальной является величина КБП фосфора. В городских условиях эта величина снижается на фоне увеличения КБП калия и нитратов.

На различных типах городских почв интенсивность накопления калия, фосфора и нитратного азота неодинакова. На реплантоземах наблюдается наиболее интенсивное накопление фосфора (КБП = 24-44) и калия (КБП = 43-59) растениями, нитраты накапливаются ими на этих почвах в меньшей степени (КБП = 5-6). Высокие значения КБП нитратного азота для органов трав и древесных растений отмечены на культуроземах (КБП = 25-28).

Интенсивность накопления элементов питания органами растений различается и в разные сезоны года. Максимальные значения КБП калия (7-42) наблюдается весной, нитратов (5-16) - осенью. Фосфор весной в большей степени аккумулируется ветвями деревьев (6-29), а осенью - их корой (7-13).

5. Тяжелые металлы в системе почва - растение в условиях городской среды Архангельска

5.1 Содержание тяжелых металлов в почвах

Определение уровня загрязнения почв Архангельска провели, анализируя данные о содержании в верхнем слое (0-20 см) валовых форм тяжелых металлов 1 класса опасности (свинца, кадмия, ртути), меди и цинка и рассчитав на их основе суммарный показатель загрязнения для исследованных участков.

Оценка валового содержания ТМ в поверхностном слое почв Архангельска показала наличие полиэлементного загрязнения. В городских почвах средние концентрации химических элементов (Cu, Zn, Pb, Hg) выше значений для естественных почв (табл. 3).

В целом, оценка полученных концентраций химических элементов в почвах города по шкале опасности загрязнения почв, составленной на основе величин показателя суммарного загрязнения (СПЗ) (Сает, 1990; Касимов, 1995), выявила допустимый уровень загрязнения (СПЗ от 1 - 15 усл. ед.) урбаноземов и реплантоземов и умеренно опасный (СПЗ от 16 - 32 усл. ед.) - культуроземов.

Верхний слой почв центральной части города загрязнен тяжелыми металлами (валовые формы) больше, чем почвы Привокзального района. Накопление ТМ в почвах Архангельска происходит аналогично биогенным элементам. Концентрическое расположение зон разного уровня содержания ТМ, видимо, также связано с типом подстилающих грунтов и различиями во времени застройки этих территорий, с разницей во времени существования и преобразования почв под влиянием антропогенного фактора, который в первую очередь обусловлен воздействием промышленных предприятий (ТЭЦ, предприятия машиностроения, ЦБК, предприятия жилищно-коммунального хозяйства и очистные сооружения) расположенных по периферии города и автотранспортом. На накопление тяжелых металлов влияет и механический состав почв (Невзоров, 200; Наквасина и др., 2006; Никитин, 2006).

Таблица 3. Среднее содержание валовых форм тяжелых металлов (мг/кг) в городских и естественных почвах и предельно допустимые их концентрации (ПДК)

Примечание: n - количество участков исследования; СПЗ - суммарный показатель загрязнения; * - Перечень предельно-допустимых…,1991; ** - Kloke, 1980; *** - Пляскина О. В., 2007; **** - Уфимцева М.Д., 2005;

Накопление в почвах тяжелых металлов в определенной мере связано с уровнем содержания в них элементов питания, что подтверждает наличие корреляционной зависимости между этими показателями (табл. 4).

Помимо оценки загрязнения почв валовыми формами тяжелых металлов, при почвенно-химическом мониторинге необходимо уделять внимание их подвижным формам, так как они формируют резерв питания растений (Уфимцева, Терехина, 2005) и кроме того легко вымываются в грунтовые, а затем и поверхностные воды, определяя тем самым уровень их загрязнения. В связи с этим нами была произведена оценка степени подвижности ТМ в почвах Архангельска.

Практически все из исследованных почв Архангельска имеют очень высокое содержание подвижной меди, концентрации её превышают в 5 - 10 раз ПДК (3 мг/кг) на 50 % урбаноземов и 25 % реплантоземов. Содержание актуальных запасов Zn превышает ПДК = 23 мг/кг на 50 % урбаноземов и 70 % реплантоземов в 1,2 - 2,6 раз. Однако почвы города обеднены подвижными формами кобальта (1,1-1,7 мг/кг), никеля (0,89-1,0 мг/кг) и марганца (11,7-41,5 мг/кг), которые являются не только техногенными поллютантами, но необходимыми для растений микроэлементами. В культуроземах отмечаются максимальные концентрации подвижных форм Fe, Co, Mn, а в реплантоземах - Pb, но их содержание значительно ниже ПДК на большинстве исследованных участках.

Таблица 4. Корреляционная зависимость содержания некоторых тяжелых металлов в почвах г. Архангельска от уровня их обеспеченности биофильными элементами

По величине коэффициентов подвижности (К_п) на урбаноземах и культуроземах ТМ можно расположить в ряд Zn > Cu > Pb, а на естественных почвах и культуроземах - Cu > Zn > Pb. Эти ТМ изменяют степень подвижности в следующем ряду городских типов почв: культурозем < урбанозем < реплантозем.

5.2 Миграция тяжелых металлов в почвах

Профили городских почв в целом сильнее загрязнены тяжелыми металлами по сравнению с природной дерновой легкосуглинистой почвой. Максимум загрязнения на большинстве исследованных участков содержится в верхнем органогенном горизонте, т.е. миграция тяжелых металлов в основном ограничена биогеохимическим сорбционным барьером. Однако подобный вариант распределения тяжелых металлов в почвах Архангельска не единственный. Встречаются профили, где с глубиной происходит постепенное увеличение содержания одного или нескольких тяжелых металлов, накопление их осуществляется на сорбционных барьерах, образовавшихся в результате присутствия в данных горизонтах почв тяжелого механического состава или железисто-марганцевых конкреций (пр. Троицкий, 91). Может наблюдаться два их максимума (ул. 23 Гвардейской дивизии, ул. Выучейского, ул. Урицкого, 58, стадион Буревестник). Во второй группе оказались почвы района современной застройки (60-х - 80-х гг.) с маломощным профилями, состоящими из горизонтов легкого механического состава, образованные на торфяниках разной мощности, путем переслаивания песка и строительного мусора, в результате чего сформировались социальные барьеры.

В естественных почвах не наблюдается значительных колебаний содержания ТМ по профилю. Кроме того, в отличие от городских почв, наблюдается увеличение их накопления с глубиной в горизонтах тяжелосуглинистого механического состава. Исключение в данном случае составляет цинк, содержание которого в верхнем горизонте несколько выше. В отличие от других металлов, большая его часть в растениях связана с легкоразрушающимися тканями и быстро удаляется из растительных остатков.

Все почвенные профили (естественной почвы и почв города) имеют достаточно хорошую обеспеченность подвижной медью (1,0-3,5 мг/кг) и цинком (1,9-17,8 мг/кг), но низкую - другими ТМ. Содержание подвижных форм ТМ (Cu, Zn) изменяется вглубь по профилю параллельно содержанию валовых форм. Однако степень подвижности ТМ в профилях различных типов почв неодинакова: большую долю от общего содержания составляют актуальные запасы меди и цинка на реплантоземах - почвах новостроек.

5.3 Содержание тяжелых металлов в системе почва - растение

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о высокой индикационной значимости растений при биогеохимических исследованиях загрязнения городской среды. Растительный покров выполняет роль мощного биогеохимического барьера, выводя избыточные массы металлов из миграционного потока в депонирующие среды. В биоаккумуляции ТМ выявлены определенные закономерности, связанные с видом растений, механическим составом и типом почв, на которых они произрастают.

Накопление ТМ в фотосинтезирующих органах растений не зависимо от условий произрастания (типа почв) происходит в ряду: Ni < Co < Pb < Cu < Fe < Zn, но в городе более интенсивно, чем в естественных условиях, хотя не превышает уровень ПДК. В условиях атмосферного загрязнения деревья значительно потребляют медь, свинец и цинк, а травы - никель, цинк и железо (табл. 5).

Листья березы, тополя и ивы под влиянием техногенеза активно накапливают медь (КБП = 2,7-7,5) и свинец (КБП = 21,71-2,36). На реплантоземах - почвах с высоким содержанием подвижных форм Cu, Pb, зеленые части растений накапливают наибольшие их количества, а на культуроземах - наименьшие. Интенсивность потребления ими никеля (КБП = 0,79-1,24) и кобальта (КБП = 1,25-2,1) снижается.

Таблица 5. Содержание ТМ (мг/кг) в листьях древесных растений и надземной части трав

Травянистая растительность в условиях города менее интенсивно накапливает кобальт (КБП = 1,43-3,66) и медь (КБП = 3,48-5,76) на фоне увеличения потребления железа (КБП = 2,23-11,34) и цинка (КБП = 7,6-8,44). Накопление цинка и меди растениями зависит от их вида. Эти элементы более активно накапливаются листьями тополя, для которых отмечены максимальные значения КБП (5,8 и 10,1, соответственно), по сравнению с другими растениями.

Основные результаты и выводы

Исследование содержания и миграции элементов питания и тяжелых металлов в почвенно-растительном покрове Архангельска позволяет дать предварительные рекомендации по поддержанию и улучшению их качества:

- необходима организация в городе мониторинга за состоянием почвенного покрова, как основной базовой компоненты экосистем. При этом мониторинговые наблюдения должны вестись не только за состоянием почв с точки зрения их техногенного загрязнения, но также предусматривать систему контроля за содержанием в них биофильных элементов, определяющим уровень устойчивости и степень самовосстановления экосистемы.

- необходимо усилить внимание к подбору ассортимента древесных растений, применяемых при проведении официального озеленения, с учетом их биоэкологических особенностей, устойчивости к аэротехногенному загрязнению и механизмов функционирования в измененных условиях природно-техногенного комплекса урбоэкосистем.

1. Установлено, что содержание биофильных элементов и тяжелых металлов в городских почвах выше, чем в природных, зависит от геологического строения и промывной способности грунтов, - высокая их обеспеченность подвижными формами фосфора, калия, кальция, магния, минеральными формами азота (NO₃^-, NH₄⁺) и валовыми формами ТМ (Pb, Cu, Zn) отмечена по периферии Архангельска (это центральный район и часть Привокзального района), где почвообразующей породой является тяжелая морена. В центре современного Архангельска, расположенном на торфах с песчаной отсыпкой, отмечен минимум накопления биогенных элементов и ТМ. Содержание их также связано с преимущественными направлениями транспереноса аэротехногенных загрязнителей.

2. Миграционная способность тяжелых металлов и биофильных элементов обусловлена взаимным влиянием их содержания в почве (между содержанием валовых форм Zn, Pb и P₂O₅, K₂O установлена прямая зависимость, а зависимость накопления различных форм Cu от P₂O₅, K₂O неоднозначна и определяется уровнем содержания последних) и ограничена действием биогеохимических, сорбционных и социальных барьеров.

3. Накопление тяжелых металлов и биофильных элементов растениями зависит от их вида. Максимальные значения коэффициентов биогеохимического поглощения КБП отмечены для тополя.

4. Распределение биофильных элементов по органам растений осуществляется независимо от их группы и вида: корни накапливают больше фосфора, а надземная часть - калия.

5. Показано, что под влиянием техногенеза нарушается баланс содержания макро- и микроэлементов в органах растений: происходит отток калия от листьев к ветвям и коре, а для фосфора и нитратного азота, наоборот, характерна восходящая миграция. Древесные растения и травы отличаются по степени накопления отдельных ТМ: листья деревьев в городе интенсивно аккумулируют Zn и Cu, а травянистая растительность - Zn и Ni.

6. Травянистая растительность и древесные растения не зависимо от условий произрастания (типа почв) накапливают ТМ в фотосинтезирующих органах в ряду: Ni < Co < Pb < Cu < Fe < Zn, однако в условиях города их содержание выше, чем в естественных.

7. Накопление элементов питания и тяжелых металлов растениями зависит от механического состава и степени сформированности почв. При отсутствии контрастных сорбционных барьеров на почвах легкого механического состава (реплантоземы) древесная растительность накапливает максимальное количество поллютантов, калия ...