Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Экологическая роль почвенно-растительного покрова в промышленном городе 9
1.1. Биофильные элементы в экосистеме 11
1.2. Тяжелые металлы в почвах и растениях 17
1.3. Содержание биофильных элементов и тяжелых металлов в урбоэкосистемах Архангельской области 27
1.4. Химический мониторинг почвенно-растительного покрова 31
ГЛАВА 2. Естественно-историческая характеристика и экологическое состояние района исследования 42
2.1. Общая естественно-историческая характеристика 42
2.2. Характеристика растительного покрова 45
2.3. Характеристика почвенного покрова 48
2.4. Основные источники загрязнения 52
ГЛАВА 3. Методика исследований и объем выполненных работ 60
3.1. Программа работ 61
3.2. Объекты исследований 61
3.3. Методы эколого-биогеохимических исследований 62
3.3.1. Полевые исследования 62
3.3.2. Лабораторные исследования 64
3.3.3. Камеральные исследования 66
3.4. Объем выполненных работ 70
ГЛАВА 4. Биофильные элементы в системе почва-растение в условиях городской среды Архангельска 72
4.1. Содержание подвижных форм биофильных элементов в почвах 72
4.2. Миграция биофильных элементов в почвах 83
4.3. Биофильные элементы в растениях 92
4.3.1. Содержание биофильных элементов в растениях 92
4.3.2. Сезонная динамика биофильных элементов в растениях 97
4.4. Биофильные элементы в системе почва-растение 102
4.4.1. Влияние типа почв на содержание биофильных в растениях 102
4.4.2. Поглощение биофильных элементов в системе почва-растение 110
ГЛАВА 5. Тяжелые металлы в системе почва-растение в условиях городской среды архангельска 119
5.1. Содержание тяжелых металлов в почвах 119
5.2. Миграция тяжелых металлов в почвах 129
5.3. Содержание тяжелых металлов в системе почва-растение 134
Выводы и предложения
- Тяжелые металлы в почвах и растениях
- Характеристика почвенного покрова
- Методы эколого-биогеохимических исследований
- Поглощение биофильных элементов в системе почва-растение
Введение к работе
Актуальность. Интенсивный процесс урбанизации обусловил целый ряд экологических проблем, связанных с резким ухудшением качества городской среды. Все это вызывает необходимость индикации и объективной оценки её современного состояния.
Серьёзной проблемой крупных городов является загрязнение природных объектов тяжёлыми металлами (ТМ) и баланс в них биофильных элементов (БЭ). Особенность загрязнения городских почв, одного из основных компонентов биосферы, состоит в том, что в крупных городах на относительно небольшой площади сосредоточено значительное количество различных источников загрязнения (промышленные предприятия, транспорт, бытовые отходы), обуславливающих интенсивность и неоднородность состава почвенных загрязнений.
Поступление ТМ и БЭ в почвенный покров определяет возможность дальнейшей их миграции в грунтовые воды, их доступность растениям, потенциальную угрозу живым организмам, в том числе человеку. Вместе с тем, почва является одним из важнейших защитных, биохимических барьеров для ряда соединений на пути их миграции в грунтовые воды и растения. Поэтому химический анализ почв и зеленых насаждений является основной частью биогеохимических исследований урбоэкосистем. Изучение биогенных элементов и тяжелых металлов в системе почва-растение позволяет оценить характер их миграции и перераспределения, накопления в отдельных органах растений и горизонтах почв, выявить структурные и функциональные особенности различных типов почв и видов растений в развитии и самоочищающей способности урбоэкосистем.
Комплексная оценка и мониторинг изменений диагностических показателей свойств почвенно-растительного покрова, происходящих под влиянием антропогенно-техногенного воздействия, позволят установить их оптимальные и критические значения для поддержания нормального функционирования урбоэкосистем и принимать своевременные меры по
поддержанию их устойчивости и восстановлению.
На территории Архангельска и области ведутся исследования,
касающиеся загрязнения почв тяжелыми металлами (Попова и др., 1998;
Евдокимова и др., 2005; Наквасина и др., 2006; Попова, Федорова, 2007) и
химического состава растительности (Феклистов, 1998, 2002, 2003). Однако
оценка экологической ситуации в урбоэкосистемах северных регионов,
объединяющая фитоиндикационные и геохимические методы исследований,
комплексное изучение поведения биофильных элементов и тяжелых металлов
в системе почва-растение отсутствуют. Все это свидетельствует о
теоретической и практической важности проведения экологического
исследования почвенно-растительного покрова Архангельска, как
крупнейшего промышленного центра на Севере.
Цель и задачи исследования. Цель работы - оценить экологическое состояние почвенно-растительного покрова Архангельска в отношении обеспеченности его биофильными элементами и степени загрязненности тяжелыми металлами; рассмотреть закономерности миграции и аккумуляции химических элементов в почвенно-растительном покрове урбоэкосистем Севера.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
изучить природно-исторические особенности формирования и почвенно-растительного покрова Архангельска;
выявить территориальные особенности распределения элементов питания и тяжелых металлов в почвах Архангельска и на основе полученных данных составить карты-схемы.
3) выявить особенности кумуляции и миграции биофильных элементов
и тяжелых металлов в системе почва-растение г. Архангельска;
4) изучить сезонную динамику содержания биогенных элементов в
растениях.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовали общепринятые методики, позволяющие изучить элементный состав почв и
растений, загрязненность их тяжелыми металлами; для обработки полученных результатов использовали методы математической статистики.
Научная новизна результатов исследований. Впервые на Европейском Севере, на примере одного из крупнейших городов -Архангельска - изучены закономерности пространственной кумуляции и миграции биофильных элементов и тяжелых металлов в почвенном покрове. Установлена зависимость накопления и распределения химических элементов от типа почв, почвообразующей породы и антропогенной нагрузки.
Установлены закономерности миграционной политики БЭ и ТМ в системе "почва-растение" в зависимости от вида и органов растений, от типа почв.
Положения, выносимые на защиту.
Обеспеченность почв г. Архангельска элементами питания, зависимость их накопления от типа почвы и подстилающих грунтов.
Характер миграции биофильных элементов и тяжелых металлов по почвенному профилю городских почв.
Содержание и сезонная динамика биофильных элементов и тяжелых металлов в органах различных растений.
Особенности накопления элементов питания и тяжелых металлов растениями на разных типах городских почв.
Территориальная обеспеченность почв элементами питания и загрязнения их тяжелыми металлами в центральной части Архангельска.
Достоверность результатов исследований и обоснованность выводов базируются на значительном экспериментальном материале, полученном с использованием современных физико-химических стандартизованных методов исследования, обеспечивающих достоверность полученных данных, на согласованности полученных результатов, обработанных статистически с применением методов математического анализа. Заложено и описано более 58 пробных площадей, на которых исследовались почвы и растения.
Личный вклад. Автором с учетом рекомендаций руководителя сформулированы цель и задачи исследований, выбраны и уточнены методические подходы к их решению. Непосредственно диссертантом в течение 2003-2007 гг. проведены теоретические и основная часть экспериментальных исследований, выполнен анализ полученных данных, сформулированы выводы.
Апробация и публикации работы. Основные положения и результаты
исследований были представлены на: IV Международной конференции по
криопедологии (Архангельск, 2005); Всероссийской конференции "Природная
и антропогенная динамика наземных экосистем" (Иркутск, 2005);
Международной научно-практической конференции "Современные
направления теоретических и прикладных исследований" (Одесса, 2006);
Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых
"Ломоносов-2006" (Москва, 2006); Всероссийской научно-практической
конференции "Современные проблемы почвоведения и экологии" (Йошкар-
Ола, 2006); Международной научно-практической конференции в области
экологии и безопасности жизнедеятельности "Дальневосточная весна-2006"
(Комсомольск-на-Амуре, 2006); Всероссийской конференции с
международным участием "Академическая наука и ее роль в развитии
производительных сил в северных регионах России" (Архангельск, 2006);
Международной научной конференции "Проблемы устойчивого
функционирования водных и наземных экосистем" (Ростов-на-Дону, 2006);
Международной научной конференции "Геохимия биосферы" (Москва, 2006);
Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых
"Ломоносов-2007" (Москва, 2007); Международной научной конференции
"Пространственно-временная организация почвенного покрова:
теоретические и прикладные аспекты" (Санкт-Петербург, 2007); XI Перфильевских научных чтениях "Биоразнообразие, охрана и рациональное использование растительных ресурсов Севера" (Архангельск, 2007); V Международной научной конференции "Мониторинг окружающей среды"
(Италия, 2007); V Международной научно-практической конференции "Экологическое образование и экологическая наука для устойчивого развития" (Архангельск, 2007).
Научно-исследовательская работа была выполнена при поддержке гранта Министерства образования и науки «Развитие потенциала высшей школы» 2005 г. и гранта РФФИ и администрации Архангельской области № 05-04-97531 «Кумуляция, миграция и трансформация биогенных элементов и техногенных поллютантов в биотических и абиотических составляющих урбанизированных экосистем (на примере Архангельского промышленного узла)» 2005 - 2007 гг.
По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе в журналах из списка, рекомендованного ВАК (Вестник ПТУ, 2005; Фундаментальные исследования, 2007)
Практическая значимость результатов исследований. Полученные данные могут быть использованы для проведения мониторинговых исследований и комплексной оценки почвенного покрова в городах данного региона, могут служить основой создания перспективного плана работ по реконструкции, оздоровлению, уходу за городскими почвами Архангельска, разработки рекомендаций по подбору ассортимента древесно-кустарниковых пород в развитии зеленого строительства в городе. Материалы диссертационного исследования могут быть использованы для чтения лекций и проведения практических занятий со студентами по дисциплинам экологических специальностей.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 178 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, приложения. Работа иллюстрирована 27 таблицами и 32 рисунками. Список литературы включает 238 отечественных и 35 зарубежных источников.
Тяжелые металлы в почвах и растениях
Тяжелые металлы относятся к биохимически активным техногенным веществам, воздействующим на живые организмы. Почвы как компонент природного комплекса чрезвычайно чувствительны к такого рода загрязнениям. Тяжелые металлы аккумулируются почвой на определенный срок и, входя в миграционные циклы природного комплекса, создают новые техногенные аномалии. В естественных условиях почвы и живые организмы в обязательном порядке содержат определенное количество тяжелых металлов (Смит, 1985). Чрезмерное же накопление этих элементов может оказаться причиной разрушения целостности природного комплекса.
Естественные ненарушенные или слабонарушенные почвы, как правило, содержат достаточно низкие концентрации тяжелых металлов, зависящие от типа почвы (Шихова, Егошина, 2002; Меркушева, Убугунов, 2002; Платонов и др., 2004) (табл. 1).
Урбанизация общества приводит к тому, что в почвах городов значительно повышается содержание тяжелых металлов. Так, многими российскими исследователями отмечено повышенное содержание тяжелых металлов (Pb, Zn, Сг, Си и др.) в городских почвах относительно фона (Быстрицкая и др., 1981; Аржанова, Елпатьевский, 1990; Авраменко, 1998; Панин, Касымова, 1998;
Мотузова, 1999; Платонов и др., 2004; Саакян, 2006).
Данные по содержанию тяжелых металлов в городах России показывают их загрязнение отдельными химическими элементами. Так, почвы Москвы имеют повышенные количества таких тяжелых металлов, как Си, Zn, Pb, Cd, Со. Чрезвычайно высокое содержание этих поллютантов (СПК = 64-80 и более) выявлено в почвах промышленной зоны, здесь преобладают свинец, цинк, медь, кадмий и цезий. Высокое содержание тяжелых металлов (СПК — 32-48) имеют старые жилые кварталы, а также скверы и бульвары, здесь преобладают свинец, кадмий и медь. В жилых кварталах новостроек загрязнения тяжелыми металлами не наблюдается (СПК менее 16) (Почвы..., 1997; Платонов, 2004). В Амурске в ряде разрезов выявлено высокое (0,71-1,20 мг/кг) и очень высокое (0,97-16,65 мг/кг) содержание Hg (Кот и др., 1996, 2002). В почвах Тюмени валовое содержание цинка и меди в почвах низкое, но имеется превышение по свинцу в 1,3 раза и по кадмию — в 3 раза. Диапазон колебаний по свинцу составляет 2,8-20,8 мг/кг, по кадмию - 0,05-0,6 мг/кг, по меди - 4,0-30,0 мг/кг, по цинку - 11,0-72,2 мг/кг. (Котова, 2006). В почвах Нижнего Новгорода выявлено загрязнение свинцом (кратность к фону в среднем 7,5-8,8) и медью (кратность к фону 7,4-9,6). Суммарный коэффициент загрязнения в этих почвах составил 20,1—25,9. (Титова, Дабахов, 2002). В Рязани выявлено значительное превышение ОДК (55 мг/кг) по содержанию цинка (в 4,2 раза), тогда как валовое содержание меди и свинца не превышает значений ОДК для этих металлов - 33 мг/кг и 32 мг/кг, соответственно (Гусева, Мажайский, 2002).
Зарубежные исследователи таюке отмечают значительное загрязнение городских почв тяжелыми металлами. Например, в Уоллонгонге (Австралия) содержание свинца увеличилось примерно в 10 раз (Beavmgton, 1973), в Гамбурге (ФРГ) количество Pb, Zn, Си и Cd также возросло по сравнению с фоном в 7 - 11 раз (Hintze, Lux, 1982). По данным Б.Э. Дэвиса и других (Davis et al., 1978), в почвах некоторых парков г. Манчестера (Англия) максимальное количество РЬ достигло 3270, Zn — 513, Си - 450 мг/кг. Еще более внушительные данные приводит А. Торнтон (Thornton, 1986): в наиболее загрязненной почве одного из предместий Лондона содержится свинца 13680, цинка - 13120, меди -2320, кадмия до 40 мг/кг. Однако значительно меньшие количества тяжелых металлов обнаружены в почвах Хельсинки: мышьяк 5.4 мг/кг, кадмий 0.33 мг/кг, хром 44 мг/кг, медь 52 мг/кг, свинец 52 мг/кг, никель 21 мг/кг, цинк 117 мг/кг и ртуть 0,31 мг/кг. Кроме того, автором отмечено, что уровни содержания тяжелых металлов в городских почвах подобны таковым из естественных областей в Хельсинки (Ranta, 1999). Почвы Познани (Польша) также нельзя назвать загрязненными, в них концентрации тяжелых металлов составляют: медь 30 мг/кг, свинец 50 мг/кг, никель 15 мг/кг, цинк 50 мг/кг (Diatta, 2006).
Основное внимание при почвенно-геохимическом мониторинге следует уделять не валовым, а подвижным формам тяжелых металлов, так как они формируют резерв питания растений. Ведущую роль подвижных форм соединений химических элементов в процессах почвообразования подчеркивал еще К.К. Гедройц (1955). Они обусловливают возможность выполнения почвой её основных экологических функций и как естественноисторического тела, и как источника плодородия и защиты от загрязнения природных сред (Soils..., 1991). Количество подвижных форм тяжелых металлов в техногенно загрязненных почвах по данным разных авторов неодинаково, что может быть связано с извлечением их различными экстрагентами.
Рядом авторов установлены средние (типичные) соотношения подвижных и валовых форм химических элементов в почвах. Так, в среднем доля подвижных соединений тяжелых металлов от их общего содержания в почвах колеблется в пределах 2,67-21,8% (Платонов с соавторами, 2004), а доля элементов в почвенном растворе (в % от валового количества) составляет: Си - 0,3-6,3; РЬ - 0,02-0,4; Cd - 0,1-10; Zn - 0,3-15 (Kabata-Pendias et al., 1981). Согласно исследованиям Т. В. Котовой (2006) среднее содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах составляет: медь -0,65 мг/кг, цинк - 1,92 мг/кг, свинец — 1,33 мг/кг, кадмий - 0,08 мг/кг.
В то же время, содержание подвижных форм свинца и цинка в большинстве почв г. Москвы в 3-4 раза превышает норму (Обухов и др., 1989, 1990). Отмечено превышение по меди (в 2-5 раз) и по Cd (2-3 раза и более), по сравнению с фоновой почвой. Соотношение подвижных форм и валовых в московских почвах колеблется от 20% для хрома до 80% для марганца и 45-50% для Zn и РЬ (Ильин, 1991; Почва..., 1997; Тошев и др., 2002). Для сравнения, в почвах центральной части Лондона содержание подвижного свинца достигает 966, цинка - 327, меди - 56 мг/кг (Davis, 1980) и значительно превышает норму, что говорит о существенном загрязнении почв. Повышенное загрязнение тяжелыми металлами свойственно почвам и вокруг других промышленных центров Англии (Mielke, 2004).
Характеристика почвенного покрова
Почвообразующими породами в Архангельске являются преимущественно моренные отложения последнего оледенения и наносы, связанные с деятельностью ледника. Морена чаще всего имеет глинистый или тяжелосуглинистый механический состав и красновато-бурый цвет. Из водно-ледниковых отложений наиболее широко распространены песчаные и супесчаные озерные и флювиогляциальные. В долинах рек на пойменных террасах почвы формируются на аллювиальных отложениях. Среди почвообразующих пород широко распространены двучленные наносы. Это пески, супеси или легкие суглинки, подстилаемые на некоторой глубине (в среднем 30-50 см) тяжелыми суглинками или глиной (Скляров, Шарова, 1970).
Для Архангельска и области характерна существенная неоднородность почвенного покрова (Кащенко, 1980; Горячкин, 1995). Основной фонд почвенного покрова составляют подзолистые почвы, они формируются в условиях преобладания осадков над испаряемостью, что обуславливает необходимый для их формирования промывной тип водного режима. Часто встречаются подзолисто-глеевые, дерново-подзолистые, дерновые и болотные (верховые и низинные) почвы. Среди подзолистых почв в подзоне северной тайги наиболее распространены торфянисто-подзолисто-глеевые почвы, а также подзолы с железистым и гумусово-железистым иллювиальными горизонтами. Дерново-подзолистые почвы распространены в меньшей степени. (Афанасьев, Ляхов, 1957; Архангельская область..., 1967; Скляров, Шарова, 1970; Кащенко, 1980; Горячкин, 1995; Балеева, 2001).
Городские почвы и грунты испытывают значительные преобразования под воздействием человека при инженерно-хозяйственной деятельности, которая приводит к химическому загрязнению почв, к ограничению (прекращению) почвообразовательного процесса и к его трансформации, ведущей к образованию антропогенных почв. Процесс образования антропогенных грунтов обусловлен искусственным изменением рельефа местности, производимым при осуществлении строительства и благоустройства города, мощность таких грунтов изменяется от 0,5 до 6 м. Максимальные мощности наблюдаются в районах древнего поселения и старой застройки города, а также в искусственных насыпях. Минимальные мощности, от 0,5 до 2 м, чаще встречаются в новых, недавно застроенных районах города (Марданова, 2000).
Характерным для города является следующее напластание грунтов (Невзоров, 2000):
Техногенные отложения в старой части города представлены суглинками, шлаком, строительным и бытовым мусором, отходами лесопиления; в новых районах - мелким песком, мощность слоя — от 1 до 4 м.
Торф, как правило, верховой, водонасыщенный, средней степени разложения, мощностью от 2 до 5 м, а иногда до 10 м.
Озерно-ледниковые суглинки, с линзами пылеватого песка и примесью органики, мощность слоя небольшая - от 0,5 до 3,5 м.
Отложения останковой морены, представлены суглинками, содержащими до 10% гравия и гальки, мощность - от 8 до 15 м, морена подстилается морскими суглинками в твердом и полутвердом состоянии Таким образом, условия почвообразования в пределах Архангельска значительно отличаются от зональных. Территория города перепрофилирована — районы бывших болот озерно-ледниковой равнины, занимающей около 75 % всех первичных форм рельефа на территории города, при застройке засыпаны песком. Современные процессы городского почвообразования протекают на культурном слое, намытых песках и в естественных почвах, в той или иной степени измененных влиянием города.
Почвенный покров исторического центра и Привокзального района представлен комплексом типичных городских почв: культуроземов, урбаноземов, современных некроземов и урбоестественных почв. В зоне новостроек (территория 6 и 8 микрорайонов) преобладают реплантоземы внутри зон застроек и урбоестественные почвы на периферии, индустриземы и интруземы на территориях автозаправочных станций, гаражей, промпредприятий. Могут встречаться естественные ненарушенные почвы, приуроченные к городским лесам и болотам. Во всех районах города большую долю территории занимают запечатанные почвы (экраноземы), скрытые асфальтом (Наквасина, 2002; Калинина, 2003).
Большинство почв состоят из разновозрастных и генетически не связанных слоев с резкими границами. Почвы города содержат большое количество скелетного материала антропогенного происхождения - от 13 до 70 %, захламленность поверхности почвы нередко достигает 50%. Наименее захламлена мусором поверхность почв в центральной части города. Поверхностные слои городских почв (горизонт "урбик") в парковой и жилой зонах города чаще имеют супесчаный механический состав, сильно распылены, переслоены глиной, торфом или строительным мусором, мощность слоя которого иногда достигает 0,7 -1м. Это связано с технологией обустройства газонов, при которой поверхность строительного мусора отсыпается торфом и песком. Цитологическая прерванность горизонтов городских почв определяет резкое изменение всех физико-механических свойств по слоям почвенного профиля: значительные колебания влажности (слои, представленные торфом, впитывают до 300% и более влаги, в то же время песчаные слои почвы могут содержать всего 9 — 10 % влаги), разрыв сплошной сети капиллярных пор, занятых водой, и изменение степени аэрации. В целом, городские почвы имеют низкую объемную массу (0,6 - 1,2 г/м ), высокую порозность (50 - 75%) и порозность аэрации (20 - 55%), что свидетельствует об их значительном распылении и, как правило, не соответствует оптимальным условиям для произрастания растений. В зоне старой застройки, расположенной на глинистом берегу, встречаются почвы, наоборот, с очень низкой общей порозностью и порозностью аэрации (24% и 10%, соответственно), имеющие высокую объемную массу (1,7 г/м ), что связано с оглеением. Плотность твердой фазы городских почв близка к природным и составляет 2,3 - 2,7 г/м . В слоях, представленных торфом, показатель снижается до 1,9 г/м (Артамонова, 2000; Наквасина и др., 2001, 2004; Наквасина, 2002; Калинина и др., 2002; Калинина, 2003).
Почвы города, как правило, имеют менее кислую среду по сравнению с природными: рН водной вытяжки колеблется от 5,4 до 6,6; рН солевой - от 5,2 до 6,5. Даже почвы Петровского парка, которые имеют типичный облик сформировавшейся дерновой почвы, имеют реакцию среды, близкую к нейтральной. Чаще всего более щелочную реакцию среды имеют верхние горизонты почвенных профилей, где закрепляются соединения щелочных и щелочноземельных металлов, источником которых является строительный мусор и аэротехногенное загрязнение. Загрязнение высокотоксичными поллютантами наблюдается на всей территории Архангельска, так как источники выбросов рассредоточены по всему городу (наиболее мощные находятся к северу от центра города) (Попова и др., 1998; Наквасина и др., 2004)
Методы эколого-биогеохимических исследований
В городе на участках, отличающихся по времени формирования почв, заложено 58 пробных площадей, с них для изучения пространственной вариабельности некоторых показателей свойств почв были взяты смешанные образцы из верхнего слоя 0 - 20 см (ГОСТ 17.4.4.02-84), а в тридцати пяти из них заложены 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, отобранных для анализа на биофильные элементы и тяжелые металлы, осуществлялись в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84.
Почвенные образцы были высушены, что необходимо для их стабилизации (прекращения микробиологических процессов). Высушивание проб проводилась при комнатной температуре в чистом хорошо проветриваемом помещении. Образцы почвы рассыпали ровным слоем на листе бумаги, удаляя растительные корешки и твердые включения. Крупные комки измельчали до 5-10 мм. Для растирания почвы использовали фарфоровую ступку и пестик. Измельченные образцы просеивали через сито с диаметром отверстий 1 мм. Среднюю пробу весом около 200 г отбирали методом квартования. Образцы почвы, растертые и пропущенные через сито, хранили в коробках и использовали в дальнейшем для определения биофильных элементов и тяжелых металлов.
У древесных растений отбирали образцы листьев, ветвей (1 и 2-го года), коры и корней. Именно листья отражают загрязнение городской среды за вегетационный период. Ветви в меньшей степени подвергаются аэрогенному загрязнению, поэтому содержание в них химических элементов в большей степени связано с видовыми особенностями при прочих равных составляющих. Корка (наружная часть коры) является безбарьерным аккумулятивным фитоиндикатором, позволяющим круглогодично исследовать степень загрязнения воздушного бассейна и почв. Она интегрально отражает загрязнение городской среды, и в этом отношении подобна почвам, являющимся депонирующим компонентом городского ландшафта (Уфимцева, Терехина, 2005).
Растения отбирали на пробных площадях, где сделаны почвенные разрезы. 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). Этот метод заключается в сжигании растительного материала в фарфоровых тиглях в муфельной печи при постепенном повышении температуры от комнатной до 400-450 С с предварительным задымлением в течение 1,5 ч с приоткрытой дверцей печи. Определение содержания минеральных форм азота проводилось в свежих или высушенных образцах растений после их тщательного измельчения.
Для определения тяжелых металлов в природных объектах, в том числе почвах и растениях, в настоящее время используется большое количество инструментальных методов. Чаще применяются спектроскопические методы (атомно-абсорбционная спектроскопия, фотометрия, люминесцентный анализ) и электрохимические методы (потенциометрия, вольтамперометрия). Однако для обеспечения достоверности и сопоставимости результатов наблюдений в экологическом мониторинге применяются конкретные методики определения тяжелых металлов и биофильных элементов в природных объектах, закрепленные нормативными документами (ГОСТ, РД и др.) (Почва. 2001), которые и использовались при проведении химического мониторинга почвенно-растительного покрова (приложение 5). Перечень методов определения тяжелых металлов и биофильных элементов в почвах и растениях и их сущность приведены в приложениях 6, 7.
Определение в почвах валовых форм Pb, Си, Zn, Cd проводилось атомно-абсорбционным методом, Hg — методом холодного пара с ультразвуковой подготовкой проб. Содержание подвижных форм РЬ определяли атомно-абсорбционной спектроскопией, Си, Zn, Со, Ni, Fe, Mn -фотоэлектроколориметрически. Определение содержания тяжелых металлов (Си, Zn, РЬ) в растительных образцах проводилось атомно-абсорбционным методом, a Ni, Со, Fe - фотоэлектроколориметрически. Анализ методом атомно-абсорбционной спектроскопии был выполнен в производственном химико-аналитическом центре ОАО «Архангельскгеолдобыча»; анализ фотоэлектроколориметрическими методами проводился в лаборатории мониторинга природных сред при кафедре химии ПТУ.
Поглощение биофильных элементов в системе почва-растение
Количественной мерой интенсивности (степени) накопления химических элементов растениями является коэффициент биогеохимического поглощения (КБП), представляющий собой отношение содержания элемента в растении к содержанию его подвижной формы в почве. С использованием результатов по содержанию элементов питания в почвенных образцах, рассчитаны значения КБП для основных растений городских и естественных ценозов (табл. 15).
Для рассматриваемых растений КБП фосфора, калия и нитратного азота варьируют в различной степени в зависимости от элемента и условий произрастания. Отчетливо видно, что в отношении калия этот показатель и в естественных, и в городских условиях для рассмотренных трав, древесных и кустарниковых пород остается практически неизменным. Поглощение нитратного азота данными растениями в городе увеличивается, а фосфора -значительно снижается, что отмечено выше. При этом КБП фосфора для растений Архангельска значительно ниже приводимых в литературе, а КБП нитратов превышают таковые в 2-5 раз.
Для отдельных органов древесных растений (ива, береза, тополь) естественных и городских местообитаний в отношении величин КБП фосфора, калия и нитратного азота также обнаруживается характерный сдвиг (рис. 20, 21). Отчетливо видно, что для всех органов ивы и березы,\ произрастающих в естественных условиях, ряд поглощения биофильных элементов имеет следующий вид: фосфор калий нитратный азот. В городских условиях такая последовательность сохраняется только для корней рассмотренных растений. В остальных органах отмечается возрастание накопления калия и нитратов, и ряд поглощения для них чаще выглядит следующим образом: калий нитратный азот фосфор.
В отношении поглотительной способности травянистой растительности также прослеживается сходная закономерность (рис. 22). Обнаруживается повышенная аккумуляция калия и нитратов в городских условиях и значительное снижение поглощения фосфора. В отличие от древесных растений, в городе изменение накопления биофильных элементов происходит и в корнях, и в надземной части трав.
Следует отметить, что для исследованных растений (ива, береза, тополь) на всех типах городских почв наблюдается сходная тенденция в накоплении фосфора, калия и нитратного азота их органами, и, как правило, совпадает с таковой у деревьев в естественных условиях. Чаще минимальное значение КБП в отношении калия и нитратов характерно для корней или коры, а в отношении фосфора - для коры или ветвей деревьев. Что касается поглотительной способности травянистой растительности, то и здесь прослеживается такая же закономерность: фосфор, калий и нитратный азот накапливаются в надземной части трав на всех типах почв, за исключением урбаноземов. Однако органы растений, произрастающих на разных типах почв, отличаются по уровню накопления биофильных элементов (табл. 16). В отношении фосфора для всех исследованных растений характерно четкое распределение по типам почв: естественные почвы реплантоземы культуроземы урбаноземы. Калий также в большей степени накапливают растения на реплантоземах и естественных почвах (реплантоземы естественные почвы урбаноземы культуроземы). В отношении нитратов, наоборот, растения на культуроземах накапливают максимальное их количество, а на естественных почвах - минимальное (культуроземы урбаноземы реплантоземы естественные почвы).
В разные периоды вегетации отдельные органы растений отличаются по интенсивности накопления биофильных элементов. Максимальная поглотительная способность всех органов березы, тополя, ветвей ивы и надземной части травянистой растительности в отношении калия отмечается в весенний период. Кора и листья ивы проявляют наибольшую поглотительную способность летом. Кроме того, листья всех рассмотренных растений в течение всего вегетационного периода накапливают большие количества калия по сравнению с другими органами
