Содержание к диссертации
Введение
Общая характеристика работы 4
1 Состояние вопроса исследований 15
2 Природные условия района исследований 37
3 Объекты, методы и объем исследований
3.1 Объекты исследований 41
3.2 Методы исследований 42
3.3 Объем исследований 100
4 Оценка экологического состояния атмосферного воздуха 102
4.1 Содержание техногенных тяжелых металлов в приземном слое воздуха 102
4.2 Оценка состояния атмосферного воздуха с использованием в качестве биоиндикаторов растений 112
5 Оценка экологического состояния почвенного покрова 137
5.1 Морфологическая характеристика почв 138
5.2 Агрохимическая характеристика почв 167
5.3 Содержание техногенных тяжелых металлов в почвах 185
5.4 Эколого-геохимическое ранжирование урбанизированных территорий по содержанию тяжелых металлов в почвах 220
6 Оценка экологического состояния и устойчивости древесных насаждений 222
6.1 Инвентаризация и структура древесных насаждений 222
6.2 Содержание техногенных тяжелых металлов в древесных растениях 230
6.3 Оценка состояния древесных растений по коэффициенту экологической устойчивости 299
6.4 Комплексное экологическое районирование урбанизированных территорий 307
7 Экспериментальная оценка методов минимизации техногенных загрязнений 310
7.1 Нейтрализация тяжелых металлов и полиароматических ксенобиотиков углеродсодержащими отходами 310
7.2 Очистка хозяйственно-питьевых и-сточных вод природными минералами 316
7.3 Снижение загрязнения почв методами фиторемедиации 321
8 Рекомендации по по улучшению состояния окружающей среды в условиях урбанизации 330
Основные выводы и предложения производству 338
Библиографический список
- Объекты, методы и объем исследований
- Оценка состояния атмосферного воздуха с использованием в качестве биоиндикаторов растений
- Агрохимическая характеристика почв
- Оценка состояния древесных растений по коэффициенту экологической устойчивости
Введение к работе
Актуальность исследований. На современном этапе урбанизация оказывает глубокое антропогенное изменение природных экосистем и замену их на искусственные, которые сегодня испытывают мощный пресс со стороны промышленного комплекса и автотранспорта [Экологические и метеорологические …, 1999; Экологическая ситуация …, 2008; Бухарина, Двоеглазова, 2010; Воскресенский, 2011; Мынбаева, Есиркепова, 2011]. В Саратовской, Пензенской, Волгоградской и Ульяновской областях состояние окружающей среды на урбанизированных территориях, где проживает более половины населения, характеризуется как кризисное и требующее действенных мер по улучшению [Государственный доклад …, 2003–2010; Доклад «О состоянии …», 2008–2011; Доклад об экологической ситуации …, 2011].
При общем падении производства и ежегодном сокращении техногенных выбросов от промышленных предприятий во многих регионах Среднего и Нижнего Поволжья произошло значительное увеличение выбросов от объектов экологически грязных отраслей промышленности. Доля участия автотранспорта в суммарных техногенных выбросах значительно возросла и составила более 90 %. Свыше 95 % сточных вод сбрасываются в поверхностные водные объекты без очистки или недостаточно очищенными, что создало серьезную угрозу для здоровья населения в регионах Среднего и Нижнего Поволжья [Государственный доклад …, 2010].
Цель исследований: установить особенности миграции тяжелых металлов в окружающей среде урбанизированных территорий Среднего и Нижнего Поволжья и разработать рекомендации по минимизации последствий их негативного воздействия.
Решались следующие задачи:
– изучить динамику интенсивности суммарного загрязнения объектов окружающей среды в Саратовской, Пензенской, Волгоградской и Ульяновской областях за 15-летний период, с 1995 по 2010 гг.;
– выполнить мониторинговые исследования состояния атмосферного воздуха в городах Саратовской, Пензенской, Волгоградской и Ульяновской областей экоаналитическими методами;
– исследовать содержание и динамику тяжелых металлов в биологических и биокосных компонентах почв;
– рассчитать экологические коэффициенты, иллюстрирующие накопительную способность биологических систем по отношению к тяжелым металлам;
– предложить коэффициент экологической устойчивости древесных растений для оценки их жизнеспособности, адаптивных возможностей и экологической значимости на урбанизированных территориях;
– выполнить экологическое районирование урбанизированных территорий, учитывая экологические параметры атмосферного воздуха, почвенного покрова и древесных растений для комплексной оценки состояния окружающей среды;
– разработать практические рекомендации, направленные на улучшение состояния окружающей среды и нейтрализацию загрязняющего воздействия тяжелых металлов.
Научная новизна и теоретическая значимость работы.
Разработана оригинальная научная концепция комплексной оценки степени техногенного загрязнения урбанизированных территорий Среднего и Нижнего Поволжья на основе результатов выполненных многолетних мониторинговых и фитоиндикационных исследований, значительно расширяющая научное представление о закономерностях пространственного распространения тяжелых металлов в окружающей среде.
Получены новые данные о содержании элементов группы тяжелых металлов в приземном слое воздуха и об уровнях их накопления в природных и техногенно преобразованных почвах, а также в листьях древесных растений в зависимости от влияния и мощности источников техногенного загрязнения окружающей среды урбанизированных территорий Среднего и Нижнего Поволжья, в том числе городов, не охваченных системой государственного экологического мониторинга.
Выявлены пространственные закономерности распределения тяжелых металлов на урбанизированных территориях по данным многолетнего почвенного мониторинга в зависимости от природно-климатических и ландшафтных особенностей, влияния источников техногенных загрязнений и уровней аккумуляции тяжелых металлов в почвенном покрове разных функциональных зон городов.
Установлены достоверные корреляционные связи между концентрациями тяжелых металлов в почве, атмосферном воздухе и в листьях древесных растений, демонстрирующие различную поглотительную способность растений в зависимости от мест их произрастания и вида.
Проведено эколого-геохимическое ранжирование урбанизированных территорий Среднего и Нижнего Поволжья по содержанию тяжелых металлов в почвенном покрове для выявления районов их интенсивной пространственной миграции и последующей аккумуляции в почве как важнейшей депонирующей экотоксиканты среде.
Выполнено экологическое районирование урбанизированных территорий Среднего и Нижнего Поволжья с учетом уровней загрязнения тяжелыми металлами атмосферного воздуха, почвенного покрова и древесных растений для комплексной оценки состояния окружающей среды.
Разработан комплексный математический показатель – коэффициент экологической устойчивости древесных растений, учитывающий физиологические пределы поступления в них тяжелых металлов из почвенного покрова и атмосферного воздуха и отражающий степень жизнеспособности, устойчивости и адаптивных возможностей древесных растений. Разработаны и обоснованы критерии интерпретации полученных значений.
Предложен новый концептуально-методический прием оценки состояния древесных растений по величинам разработанного коэффициента экологической устойчивости, характеризующего физиологические пределы их металлоаккумуляции, жизнеспособности и адаптационных возможностей.
На основе экспериментальных исследований сорбционных свойств углеродсодержащих отходов рекомендуется высокоэффективный и доступный способ нейтрализации загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами с помощью данных реагентов.
Разработан перспективный озеленительный ассортимент из 139 видов растений – 84 древесных и 55 кустарниковых – для обогащения видового состава насаждений, реконструкции имеющихся и создания новых насаждений в городах Среднего и Нижнего Поволжья.
Исследованиями особенностей металлоаккумуляции у травянистых растений на примере мятлика лугового, плевела многолетнего и капусты сарептской установлена целесообразность использования их в качестве биоремедиатов загрязненных тяжелыми металлами почв. Экспериментально установлена высокая эффективность очистки питьевой воды от тяжелых металлов и фенолов до принятых ПДК из источников централизованного водоснабжения природными минералами-сорбентами, сырье для которых содержится в достаточных количествах в разведанных месторождениях Среднего и Нижнего Поволжья и изымается из них в промышленных масштабах (используются в строительной отрасли).
Достоверность исследований обеспечена большим объемом собранного экспериментального материала в результате многолетних исследований с применением современных методов в экологии, его глубоким анализом и обработкой методами математической статистики с использованием компьютерных программ Microsoft Excel, Statistica 6.0.
Практическая значимость работы. Результаты выполненных мониторинговых исследований в форме табличных данных и электронных экологических карт полезны специалистам, осуществляющим свою деятельность в области экологического контроля, экологической экспертизы и мониторинга окружающей среды, в работе учреждений земельного кадастра и природоохранных служб при подготовке и издании режимно-справочных материалов.
Разработанные в процессе мониторинговых исследований практические рекомендации по улучшению состояния атмосферного воздуха, почвенного покрова, зеленых насаждений, вод хозяйственно-питьевого назначения целесообразно использовать природоохранными и коммунальными организациями, службами экологического контроля и экологической экспертизы, муниципальными управлениями архитектурой и градостроительством при планировании строительства жилых, деловых и социальных объектов в городах Среднего и Нижнего Поволжья.
Результаты исследований техногенного загрязнения приземного слоя атмосферного воздуха, почв и древесных растений урбанизированных территорий Среднего и Нижнего Поволжья переданы и внедрены в производство Федеральным государственным учреждением «Станция агрохимической службы «Балашовская» (г. Балашов), Саратовским филиалом Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова» (г. Саратов), Балашовским лесничеством ГУ «Лесничества Саратовской области» (г. Балашов). Данные организации используют переданные материалы при разработке, планировании и организации ведомственного мониторинга окружающей среды, а также при оценке ее экологического состояния и возможности возникновения кризисных экологических ситуаций.
Рекомендации по возможности использования углеродсодержащих отходов промышленного производства, подобранных растений-биоремедиатов для эффективной фитоэкстракции поллютантов из почв переданы и внедрены в производство Саратовским филиалом Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова» (г. Саратов), ФГУ «Станция агрохимической службы «Балашовская» (г. Балашов) при разработке, планировании и организации природоохранных мероприятий по детоксикации земель различных категорий использования.
Составленный перспективный ассортимент из 139 видов древесных растений и кустарников, рекомендованных настоящими исследованиями для озеленения урболандшафтов и прилегающих к ним территорий в условиях Среднего и Нижнего Поволжья, может служить справочным материалом городским службам озеленения и благоустройства, лесничествам, дендрологическим питомникам при подборе культур для создания насаждений различного целевого назначения, в том числе защитного, декоративного и рекреационного. Имеются акты о внедрении данных исследований в производство Саратовским филиалом Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова» (г. Саратов), Балашовским лесничеством ГУ «Лесничества Саратовской области» (г. Балашов).
Результаты исследований применяются при разработке и проведении лекционных и практических занятий, учебно-полевых практик по экологическим дисциплинам в Балашовском институте (филиале) ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского» (г. Балашов), ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н. И. Вавилова» (г. Саратов), ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» (г. Пенза), ФГБОУ ВПО «Брянский государственный университет имени академика И. Г. Петровского» (г. Брянск).
Основные положения, выносимые на защиту:
1 – Выполненные мониторинговые исследования окружающей среды с помощью физико-химических и биоиндикационных методов выявили различные показатели содержания тяжелых металлов в атмосферном воздухе, почвенном покрове и древесных растениях в зависимости от влияния источников выделения загрязняющих веществ в окружающую среду.
2 – Разработанный коэффициент экологической устойчивости показывает степень жизнеспособности и адаптивных возможностей древесных растений в условиях городской среды.
3 – Экологическое районирование урбанизированных территорий позволило выделить города с критическим состоянием окружающей среды – Саратов, Кузнецк, Волжский, Димитровград; стабильным состоянием среды – Балашов, Инза; с экологически нестабильным состоянием среды – Сердобск, Камышин.
4 – Для улучшения состояния окружающей среды в городах Среднего и Нижнего Поволжья предлагается использование древесных растений из групп устойчивых, средней степени устойчивости и неустойчивых к загрязнению атмосферного воздуха; травянистых растений-биоремедиатов и углеродсодержащих отходов для нейтрализации тяжелых металлов.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на Всероссийской научно-практической конференции «Социально-экологические проблемы малого города» (Балашов, 9–10 октября 2008 г.), I Международной научно-практической конференции естественно-географического факультета «Экологическая безопасность региона» (Брянск, 22–24 октября 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Вавиловские чтения–2008» (Саратов, 26–27 ноября 2008 г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Демографическая ситуация в современной России: состояние и перспективы» (Тверь, 27–28 ноября 2008 г.), межвузовской научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологической безопасности региона: состояние и перспективы» (Балашов, 24 апреля 2009 г.), региональном сборнике научных трудов «Актуальные проблемы науки и образования» (Балашов, 2010 г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Антропогенная трансформация природных экосистем» (Балашов, 13–14 октября 2010 г.), III Международной научно-практической конференции «Биодиверситология: современные проблемы изучения и сохранения биологического разнообразия» (Чебоксары, 12 декабря 2010 г.), III Международной научно-практической конференции естественно-географического факультета (Брянск, 21–22 октября 2010 г.), XI Международной научно-практической конференции «Интеллект и наука. Секция «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Железногорск, 28–29 апреля 2011 г.), IV Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий» (19–20 мая 2011 г.), I Международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность и устойчивое развитие территорий» (Чебоксары, 2011 г.), IV Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий» (Астрахань,19–20 мая 2011 г.), IV Международной научной конференции «Экология–2011» (Архангельск, 6–11 июня 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Экологическое равновесие: антропогенное вмешательство в круговорот воды в биосфере» (Санкт-Петербург, 16–17 июня 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Сотрудничество в области использования природных ресурсов и экологического оздоровления бассейна Днепра» (Гомель, 9–10 июля 2011 г.), VII Международна практична конференция «Найновите постижения на европейската наука–2011» (София, 17–25-ти юни 2011 г.), VII mezinrodn vdecko-praktik conference «Aktuln vymoenosti vdy–2011» (Praha, 27.06.2011–05.07.2011), IV Международной научно-практической конференции естественно-географического факультета «Экологическая безопасность региона» (Брянск, 20–21 октября 2011 г.), I Всероссийской научно-практической конференции «Дополнительное профессиональное образование в системе подготовки конкурентоспособного специалиста на рынке труда» (Брянск, 18–19 ноября 2011 г.), VIII mezinrodn vdecko-praktik conference «Dny vdy–2012» (Praha, 27 bezen–05 dubna 2012 roku), Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг биоразнообразия экосистем степной и лесостепной зон» (Балашов, 18–19 октября 2012 г.), V Международной научно-практической конференции естественно-географического факультета «Экологическая безопасность региона» (Брянск, 19–20 октября 2012 г.), I Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты» (Новосибирск, 25 октября 2012 г.), I Международной научно-практической конференции «Достижения вузовской науки» (Новосибирск, 10 декабря 2012 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 работ, в том числе две монографии и 23 научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Работа выполнена в соответствии с темой научных исследований кафедры экологии и рационального природопользования ФГБОУ ВПО «Брянский государственный университет имени академика И. Г. Петровского» «Мониторинг природных и антропогенных экосистем».
Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом многолетних экспериментальных исследований автора, охвативших период с 2005 по 2011 гг. На всех этапах исследования автор принимал личное участие. Им самостоятельно сформулирована проблема, поставлены цель и задачи, разработана программа работ и определены методы, запланированы и проведены эксперименты, сделан анализ результатов собственных исследований, сформулированы выводы и разработаны практические рекомендации. В работе использованы результаты совместных публикаций, доля участия автора в которых составляет от 70 до 90 %.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, 8 глав, практических рекомендаций, основных выводов и предложений производству, библиографического списка и приложения. Работа изложена на 512 страницах компьютерного текста, иллюстрирована 309 таблицами, 54 рисунками. Библиографический список включает 592 источника, в том числе 191 на иностранных языках.
Объекты, методы и объем исследований
В настоящее время большинство очистных сооружений Ульяновской области требуют частичной или полной реконструкции, так как практически не обеспечивают нормативную очистку сточных вод. Несмотря на частичное улучшение качества воды в Волжском водохранилище и реках Ульяновской области, экологическую ситуацию нельзя охарактеризовать как благополучную в связи с поступающими из соседних регионов по рекам Сура и Волга трансграничных переносов [Доклад «О состоянии ...», 2011]. В большей мере от неудовлетворительного состояния окружающей среды страдают жители городов, в которых в основном и сосредоточены источники выделения загрязняющих, в том числе высокотоксичных веществ [Государственный доклад ..., 2009, 2010]. Поэтому необходимо проанализировать источники загрязнений в городах Среднего и Нижнего Поволжья, выбранных в качестве района исследований.
Город Балашов - административный центр Балашовского района Саратовской области, четвертый в Саратовской области после гг. Саратова, Балаково и Энгельса по экономическому потенциалу и по численности населения (82222 чел. - по итогам Всероссийской переписи населения 2010 г. [Россия в цифрах ...,2010].
Основные загрязнители атмосферного воздуха: автотранспорт, ОАО «Балашовский завод железобетонных конструкций», городские тепловые сети, предприятия пищевой промышленности, локомотивное депо и подвижной состав железнодорожной станции Балашов-1 Юго-Восточной железной дороги. Специализированные посты наблюдения ГУ «Саратовской центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» за экологическим состоянием воздуха отсутствуют.
Выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников и автотранспорта по городу в 2010 г. составили 12,6 тыс. т, что на 10,3 % ниже, чем в 2009 г. выбросы от передвижных источников (автотранспорта) составили 12,6 тыс. т. Вклад автотранспорта в суммарный выброс по г. Балашову составил 96,9 %.
Износ канализационных сетей составил 79 %, в результате чего наносится ущерб поверхностным источникам как питьевого, так и рыбохозяйственного назначения.
Объем промышленных отходов, образовавшихся в 2010 году на предприятиях города, составляет 7,4 тыс. т, из них: 1-го класса опасности - 2 т; 2-го класса опасности - 187,0 т; 3-го класса опасности - 53,3 т; 4-го класса опасности - 6275 т; 5-го - 1109 т. [Доклад «О состоянии ...», 2011]. По своему промышленному потенциалу г. Саратов с населением 837400 чел. относится к крупнейшим городам России, причем с исключительно многопрофильной промышленностью, главными среди отраслей которой являются нефтеперерабатывающая, химическая, оборонная и стройиндустрия [Россия в цифрах ..., 2010; Российский статистический ежегодник ...,2011].
Мощное давление на окружающую среду усугубляется рядом факторов: подъемом производства «экологически грязных» отраслей (топливной, нефтеперерабатывающей, энергетической, машиностроительной, производстве строительных материалов), общим увеличением единиц автотранспорта, критическим уровнем захламления земель промышленными и бытовыми отходами различных классов опасности.
По данным Росстата, в 2009 г. г. Саратов включен в Приоритетный список городов России с наибольшим уровнем загрязнения воздуха [Российский статистический ежегодник ...,2010; Россия в цифрах ...,2010].
В 2010 году уровень загрязнения атмосферного воздуха г. Саратова характеризовался как «очень высокий» (ИЗА5 составил 28,8, в 2009 году ИЗА5 = 23,5). В целом состояние воздушного бассейна города оценивается как критическое и требует принятия неотложных мер.
Основные источники загрязнения атмосферы - предприятия топливной отрасли, электроэнергетики, химической и нефтехимической отраслей, а также автотранспорт.
Объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников промышленных предприятий и автотранспорта в 2010 году составил 136,5 тыс. т. Вклад автотранспорта в суммарный выброс загрязнителей по г. Саратову в этом году составил 87 %.
Выбросы специфических вредных веществ в целом по городу составили 16,9 тыс. т. Наибольшее количество специфических вредных веществ выбрасывается на предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности - 10,3 тыс. т/год (54,1 %).
Оценка состояния атмосферного воздуха с использованием в качестве биоиндикаторов растений
Для проведения мониторинга почв и древесных растений на предмет содержания в них тяжелых металлов антропогенного происхождения были выбраны участки со сформированным почвенным профилем [Методические рекомендации ..., 1999; Рылова, 2003; Никитенко, 2007]. Пробоотборы были приурочены к относительно равновесным почвам, а не ежегодно обновляемым грунтам, с целью большей статистической достоверности и объективности результатов [Капелькина, Васильева, 1991; Методические рекомендации ..., 1999].
Для отбора образцов почв и растений использовался следующий инструментарий: лопата по ГОСТ 19596-74; совок; нож почвенный по ГОСТ 3707-79; бур почвенный; шпатели металлические по ГОСТ 19126-79; шпатели пластмассовые по ГОСТ 19126-79; средства индивидуальной защиты; линейка; шариковая ручка; карандаш; полиэтиленовые пакеты; полиэтиленовая пленка (0,8x0,8 м ); коробки картонные; полевой журнал [ГОСТ 17.44.02-84].
Во время полевых исследований границы элементарных ландшафтов и размещение ключевых участков уточнялись непосредственно на местности и по генеральным планам исследуемых городов, картосхемам и планшетным материалам, имеющимся в местных городских управлениях архитектуры и градостроительства. Далее на ключевых участках закладывались пробные площади.
Полевые исследования носили характер экспедиционных работ. Чтобы максимально исключить воздействие внешних погодно-климатических (атмосферные осадки, превышение температуры атмосферного воздуха) и внутренних (активизация физиологической активности весной, после периода зимнего покоя) факторов, отбор почвенных и растительных образцов проводился во второй половине лета. Во второй декаде августа 2005-2011 гг. отбор почвенных образцов выполнялся в городах Саратовской области. В остальных городах района исследований отбор почвенных проб проводился в с 2006 по 2011 гг. Растительные пробы отбирались во всех городах района исследований в 2006-2011 гг., в утренние часы при ясной, маловетреной погоде, без осадков, согласно использованным методикам [Никифорова, 1981; Алексеенко, 1990; Листов, 1990; Дурынина, Егоров, 1998]. Параллельно в полевом дневнике фиксировались параметры погоды: температура и влажность воздуха, направление и скорость ветра, ясность-облачность, осадки [Якунина, Попов, 2009]. Также фиксировалась характеристика микроэлементов ландшафта (наличие или отсутствие оврагов, канав, неудобей, пустырей, водостоков), объектов техносферы (различные здания и постройки, различные предприятия и учреждения, объектов городской инфраструктуры. Указывались: расстояние от приоритетных источников выделения поллютантов и их состояние, антропогенные включения в почвах [Федорец, Медведева, 2009].
Пробные площади закладывались в соответствии с общепринятыми методиками биохимических исследований почв [Глазовская, 1964; Bowen, 1966; Ровинский и др., 1978; ГОСТ 17.4.4.02-84; Алексеенко, 1990; Ровинский, Парамонов, 1994; Почвенно-экологический мониторинг ..., 1994; Экологический мониторинг ..., 1996; Садовникова и др., 2006; Федорец, Медведева, 2009].
Всего для проведения почвенного мониторинга в каждом городе района исследований было заложено по 10 пробных площадей, для исследований особенностей аккумуляции тяжелых металлов древесными растениями - по 6 пробных площадей в зоне влияния антропогенных источников выделения химических загрязнителей и на определенном удалении от них, по основным направлениям среднегодовой розы ветров, с целью изучения распространения предполагаемых следов загрязнителей. Пробные площади обязательно закладывались в трех главных функциональных зонах городов: промышленных, селитебных и рекреационных [Гармаш, 1985; Алексеенко, 1990; Почвенно-экологический мониторинг ..., 1994]. Размер каждой пробной площади составил 100 м2 (10x10 м2). На каждой заложенной пробной площади осуществлялись полевые описания растений с указанием типа фитоценоза и выделением доминантных видов и почв по апробированным методикам, описанных в разных работах [Глазовская, 1964; Полевые практики ..., 1989; Ровинский, Парамонов, 1994; Прохорова и др., 1998; Мотузова, Безуглова, 2007; Федорец, Медведева, 2009]. Размеры пробной площади обеспечили включение видов растений, необходимых для проведения экологического мониторинга почвенного покрова и модельных видов растений.
При закладке пробных площадей соблюдено важное условие, чтобы на данных участках произрастали средневозрастные (25-30-летние) древесные растения, с которых затем отбирались образцы листьев [Алексеенко, 1990; Прохорова и др., 1998; Бессонова, 1992; Копылова, 2010]: Acer platanoides L., A. negundo L., Ulmus laevis Pall., U. pumila L., Tiha cordata Mill., T. platyphyllos Scop., Cerasus vulgaris Mill., Pinus sylvestris L., Sorbus aucuparia L., Robinia pseudoacacm L., Aesculus hippocastanum L., Fraxinus pennsylvamca Marsh., Padus avium Mill, и Betulapendula Roth (приложение, рис. П. 4).
Нанесенные на картосхемы городов района исследований сети точек отбора образцов (номера пробных площадей) обеспечивает выявление важнейших очагов загрязнения и их пространственное распространение (приложение, рис. П. 2) [Федорец, Медведева, 2009]. В качестве контрольного (фонового) района исследовались участки сохранившихся природных разнотравных степей и пойменного леса (дубравы) Балашовского района Саратовской области с минимальной антропогенной нагрузкой, в которых заложены 4 пробные площади (приложение, рис. П. 5).
Контроль включал пробные площади, заложенные в фоновых для Среднего и Нижнего Поволжья природных экосистемах Балашовского района Саратовской области (приложение, рис. П. 6-8). Данными природными (эталонными), относительно ненарушенными экосистемами являлись участки пойменных лесов и разнотравных степей. В структуре основных лесообразующих пород главное место принадлежит Quercus robur L. (западная часть Саратовской области). Соотношение лесообразующих пород показано на рис. П. 9 приложения.
Контрольные пробные площади оказались географически разобщены по территории Балашовского района из-за высокой степени сельскохозяйственной освоенности территории (возделываемые или брошенные в прошлом поля, сады, огороды, пастбищные и сенокосные угодья). Поэтому возникла необходимость закладки пробных площадей в нетронутых деятельностью человека участках природных экосистем.
ПП № 1 - располагалась на участке разнотравно-типчаково-ковыльной степи в 6 км к западу от с. Березовка (приложение, рис. П. 6). Земная поверхность плоская, с оврагами, балками, неудобьями. Преобладающий тип почв - чернозем обыкновенный. Наличие почвенно-грунтовых вод: глубина расположения грунтовых вод 3-6 м. Растительный покров: дерновинные травы, с преобладанием дикорастущих дерновинных злаков. Антропогенная нагрузка минимальная. ПП № 2 - заложены на участке сохранившегося пойменного леса (дубравы) в 4 км севернее с. Пады и в 33 км от г. Балашова (приложение, рис. П. 7).
Агрохимическая характеристика почв
Фиторемедиация загрязненного почвенного покрова экспериментально изучалась с использованием в качестве модельных трех видов травянистых растений, произрастающих в природных и искусственных экосистемах городов района исследований в основном как заносные и сорные растения: Роа pratensis L. - мятлик луговой, Lolium perenne L. - плевел многолетний, Brassicajuncea (L.) Czern. et Cosson - капуста сарептская. L. perenne L. и В. juncea (L.) Czern. et Cosson выбраны в качестве объектов исследований в результате критического анализа имеющихся работ о высокой металлоаккумулирующей способности травянистых растений, главным образом, представителей Cruciferae В. Juss., а также Gramineae Juss. [Huang, Goldsbrough, 1988; Cunningham et al., 1995; Kumar et al., 1995; Huang et al., 1997; Kupper et al., 2000; Ayotanuno et al., 2006]. В этих работах указывается о необходимости использования данных растений в роли фитоэкстракторов тяжелых металлов из почв. Р. А. Галиев, изучавший возможности фиторемедиации загрязненых нефтешламами почв в г. Казани, предлагает в данном районе использовать L. perenne L. в качестве фитоэкстрактора содержащихся в нефтешламах тяжелых металлов [Галиев, 2007]. Тем не менее, все эти сведения носят локальный характер и относятся к регионам с иными природно-климатическими, орографическими и экологическими особенностями. Поэтому целесообразно выполнение данных исследований в городских условиях Среднего и Нижнего Поволжья. Об Р. pratensis L. как фитоэкстракторе тяжелых металлов информации не обнаружено. Имеются лишь общие указания о способности накапливать в больших количествах техногенные тяжелые металлы некоторыми видами из семейства Gramineae Juss. [Cunningham et al., 1995; Ayotanuno et al., 2006].
Исследования заключались в проведении серии опытов с выращиванием P. pratensis L., L. регеппе L., В. juncea (L.) Czern. et Cosson из семян с добавлением нитрата свинца (РЬ(Ж)з)2), имитирующего свинцовое загрязнение почвы по методике М. В. Бганцовой [Бганцова, 2008, 2009].
На первом этапе (июль 2008 г.) эксперименты проводились в лабораторных условиях: семена модельных видов высаживались в закрытый грунт - в пластиковые стаканчики емкостью 1 л с предварительно загрязненной почвой (в среднем по 850 г). В стаканчиках создавались модельные концентрации РЬ(Ж)з)2: низкая (150 мг/кг почвы), средняя (250), высокая (550) и очень высокая (1000, 1500 мг/кг почвы). По шкале нормирования тяжелых металлов А. И. Обухова и Л. Л. Ефремовой эти порции РЬ(1ЧОз)2 соответствуют низкой, средней, высокой и очень высокой степени загрязнения почв [Обухов, Ефремова, 1988]. В каждый стаканчик высаживались по 30 шт. семян лишь одного вида. На каждую модельную концентрацию РЬ(Ж)з)2 использовано по 20 стаканчиков, в которых затем посажены семена трех видов. Таким образом, на каждый из исследованных видов растений приходилось в среднем 6,67 стаканчиков (7+7+6 шт.). Общее количество стаканчиков в эксперименте -100 шт.
В стаканчиках использована почва (чернозем обыкновенный), отобранная в районе расположения контрольной 1111 № 1 (участок природной разнотравно-типчаково-ковыльной степи в 6 км к западу от с. Березовка, Балашовский район, Саратовская область) из пахотного слоя с глубины 5-15 см.
На втором этапе экспериментальных исследований (июль 2009 г.) использованы работы М. В. Бганцовой, изучавшей особенности металлоаккумуляции L. регеппе L. и В. juncea (L.) Czern. et Cosson в условиях загрязнения почв автотранспортом в Московской области и в г. Курске, и Т. А. Трофимовой, показавшей эффективность В. juncea (L.) Czern. et Cosson для фиторемедиации почв агроландшафтов в окресностях г. Волгограда [Бганцова, 2008, 2009; Трофимова, 2009]. Основываясь на их рекомендации, а также на методики опытного изучения металлоаккумуляционных свойств растений при проращивании их семян в грунтах с различными внесенными дозами солей тяжелых металлов, разработана программа исследований объемов накопления тяжелых металлов модельными растениями в открытом грунте [Kannan, Keppler, 1976; Kacabova, Natr, 1986; Bassi, Sharma, 1993; Florjin, Van Beusichem, 1993; Alia, Mohanty, 1995; Таланова и др., 2001; Baryla etal.,2001].
Опыты закладывались в районе ПП № 3 (район расположения ОАО «Балашовский завод железобетонных конструкций» и автомагистрали Балашов-Саратов) в г. Балашове на расстоянии 5 (12 шт.) и 15 м (12 шт.) от автомагистрали (июль 2009 г.). На экспериментальных площадках 5x5 м2 в количестве 24 шт. (по 8 для каждого вида) высаживались P. pralensis L., В. juncea ,(L.) Czern. et Cosson и L. perenne L. [Бганцова, 2008, 2009]. Глубина посадки семян составляла 2-3 см согласно методическими рекомендациям [Растениеводство, 2006; Царева, 2007].
Каждый эксперимент проводился в трех повторностях в течение 30 суток. Элементному анализу подвержены образцы надземной фитомассы (72 шт.), корни (у P. pratensis L., L. perenne L. - корневища) (72 шт.), а также почва (72 образца), на которой проращивались данные растения. Подготовка проб к элементным анализам проводилась по общепринятой методике [Titov et al., 1996; Основы аналитической химии ..., 2001]. Тяжелые металлы в растительных и почвенных пробах определялись методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии на спектрофотометре «Спектр-5.1» [Майстренко и др., 1996; Самохвалов, Чеботарев, 1997; Методика выполнения измерений ..., 2001; Основы аналитической химии ..., 2001; Отто, 2006].
Оценка состояния древесных растений по коэффициенту экологической устойчивости
Средний показатель захламленности территории не превышает 19 % («слабая» захламленность). Бытовые отходы и мусор обнаружены в селитебной, промышленной и парковой зонах. Минимальными показателями захламленности (5 %) характеризуются территории дачных участков в окрестностях города, а также ухоженные газоны в центре города (по ул. К. Маркса и Володарского, газон в парке «Железнодорожный»). Наиболее замусоренная поверхность (40 %) среди исследуемых пунктов наблюдения отмечена в пределах жилой застройки (ул. Ленина, ул. Советская, ул. Саратовское шоссе).
Средневзвешенный показатель каменистости по городу составляет 11 % («слабокаменистая» почва), максимум (18 %) регистрировался в зоне антропогенного влияния промышленного предприятия («Балашовский завод железобетонных конструкций») и автовокзала, минимум (4 %) - в «Парке им. В. В. Куйбышева» и на участке разнотравно-типчаково-ковыльной степи (контрольные пробные площади №№ 1,3).
Уровень запечатанности почвенного покрова города является средним: средневзвешенный показатель - 43 %. Большая часть города характеризовалась низким уровнем запечатанности - менее 25 %. Максимальный процент запечатанности (60 %) зарегистрирован на территориях жилой застройки на ул. К. Маркса, Володарского, Ленина, пр. Космонавтов, минимальный (10-15 %) на территориях парков («Парк им. В. В. Куйбышева», парк «Железнодорожный»). Саратовская область, г. Саратов
Общая озелененность почвенного в покрова оценивается как неудовлетворительная, является нестабильной, имеет тенденцию к значительному сокращению вследствие роста антропогенного давления на окружающую среду в последние годы (2004-2011 гг.). Средневзвешенный показатель озелененности - 42 % («средне озелененные» почвы) - характерен селитебной и производственной зонам (в районе ОАО «Саратовский подшипниковый завод» по ул. проспект Энтузиастов и вблизи большинства других промышленных предприятий).
Достаточно высоким уровнем озелененности, равным 94 %, характеризуются территории парков и лесопарков (городской парк «Липки», «Городской парк культуры и отдыха», «парк Победы», лесопарк «Кумысная поляна»). Низкий показатель озелененности - до 15 % - характерен большинству улиц в центре города. В районе железнодорожной станции «Саратов-1» и автовокзала уровень озелененности почвенного покрова снижается до 0-5 %. В целом около 65 % территории города имеет уровень озелененности почв до 25 %, оцениваемый как «слабый».
Практически на всей территории города отмечены антропогенные включения в почвенном покрове в основном строительного и бытового происхождения: строительный мусор, битый кирпич, остатки кровли, части агрегатов, бытовые отходы.
Средневзвешенный показатель захламленности городской территории равен 55 %. Минимальными показателями захламленности (0-5 %) отличаются территории парков и лесопарков города, ухоженные газоны в центре города (по ул. Московская, Астраханская, Советская).
Наиболее захламленными территориями являются рынки, прилегающие площади к магазинам, ларькам и прочим торговым точкам, а также дворы жилых домов, что составляет 15-20 % общей площади города.
Каменистость в городе составляет 58 % («сильнокаменистая» почва). Минимальная каменистость (14 %) отмечена в парковых и лесопарковой зоне, максимальная (86 %) - в зоне влияния промышленных предприятий.
Уровень запечатанности почвенного покрова города является высоким - 67 % (средневзвешенный показатель). Около 60 % территории города характеризуется высоким уровнем запечатанности - более 75 %. Максимальный уровень запечатанности (80 %) зарегистрирован в центре, на северо-западе (жилая застройка по ул. Астраханская, Вавилова), юго-востоке (ул. Осипова) и северо-востоке города (промзона ОАО «Саратовнефтегаз»).
Минимальный показатель запечатанности (0-5 %) отмечен в парках и лесопарках города (городской парк «Липки», «Городской парк культуры и отдыха», лесопарк «Кумысная поляна»). Пензенская область, г. Сердобск
Озелененность почв оценивается как удовлетворительная, в последние годы (1995-2011 гг.) является достаточно стабильной. Средневзвешенный уровень озелененности почвенного покрова города - 60 % («высокая» озелененность). 75 % территории города оценивается высокой степенью озелененности (65 %), достигающей 88 % на территориях парков («Городской парк» по ул. Парковая). Средняя степень (35 %) озелененности отмечается на территориях крупных промышленных предприятий (ЗАО «Сердобский машиностроительный завод» по ул. Вокзальная - на западе города, железнодорожный вокзал - в восточной части города). Низкая степень озелененности (15-20 %) характерна примыкающим территориям к дорогам, АЗС и торговым точкам (перекресток ул. Красная и ул. Балашовская (микрорайон «Березки», селитебная зона).
Средневзвешенный показатель захламленности территории города равен 33 % («средне захламленные» почвы). Бытовые отходы и мусор обнаружены на поверхности территорий жилой застройки и торговых точек (ул. Пушкина). Минимальному уровню захламленности (5-10 % - почва «не захламлена») соответствуют земли рекреационных зон, газоны в центре города. Максимальная захламленность почв наблюдалась (50-60 % - «сильно захламленная» почва) в районе жилой застройки и автостоянок. Средняя величина каменистости приближена к 21 % («слабокаменистая» почва), наиболее высокий показатель - 46 % - выявлен в промзоне, наименьший - 7 % - в парковой зоне.
