Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Характеристика антропогенного влияния на состояние основных сред парковых экосистем 8
1.1 Особенности городской среды как экосистемы 8
1.2 Загрязнение воздушной среды 11
1.3 Химические соединения тяжелых металлов в почвах 13
1.4 Тяжелые металлы в системе почва-растение 17
1.5 Влияние тяжелых металлов на свойства почвы и растений 18
1.6 Распределение радионуклидов в почве и системе почва-растение 20
1.7 Роль парковых зон 27
ГЛАВА 2 Природно-техногенные условия, объекты и методы исследования 30
2.1 Климат Орловской области 30
2.2 Загрязнение атмосферного воздуха г. Орла тяжелыми металлами
2.3 Объекты и методы исследований 35
ГЛАВА 3 Закономерности накопления и распределения тяжелых металлов и радионуклидов в почвах парковых зон 43
3.1 Характеристика транспортного потока на исследуемых парковых ландшафтах 43
3.2 Закономерности накопления и распределения в почве различных форм тяжелых металлов 46
3.3 Влияние удаленности от трассы на концентрацию тяжелых металлов в почве парковых ландшафтов 54
3.4 Накопление Cs в почве исследуемых участков 55
3.5 Исследования фитотоксичности почвы 56
ГЛАВА 4 Особенности накопления и распределения тяжелых металлов в атмосферных осадках на исследуемых участках 59
ГЛАВА 5 Накопление тяжелых металлов в листьях деревьев различных пород 67
5.1 Закономерности накопления пыли на листьях зеленых насаждений 67
5.2 Особенности накопления тяжелых металлов в листьях древесных насаждений 72
ГЛАВА 6 Влияние транспортной нагрузки на изменения показателей состояния листьев деревьев различных пород 90
6.1 Закономерности изменения площади листьев различных пород городских зеленых насаждений 90
6.2 Особенности изменения показателя флуктуирующей асимметрии 94
6.3 Изменение содержания хлорофилла в листве исследуемых пород зеленых насаждений 96
ГЛАВА 7 Экономическое обоснование использования исследуемых пород зеленых насаждений 102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
ВЫВОДЫ 109
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 112
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Особенности городской среды как экосистемы
- Климат Орловской области
- Характеристика транспортного потока на исследуемых парковых ландшафтах
Введение к работе
Актуальность темы. В результате развития хозяйственной деятельности человека возникло большое количество проблем, связанных с загрязнением окружающей среды. Одной из таких проблем стало возрастающее насыщение окружающих человека ландшафтов токсическими соединениями, в том числе тяжелыми металлами и радионуклидами. Их опасность состоит в том, что, попадая в организм, они негативно воздействуют на здоровье человека.
К основным источникам эмиссии тяжелых металлов в окружающую среду относятся промышленные выбросы. Объем таких выбросов в атмосферу в 2001 году от стационарных источников, расположенных на территории Орловской области, составил 15,809 тыс. т. Выбросы от передвижных источников (автомобильный, железнодорожный, воздушный транспорт) составили 88,92 тыс. т. Из этого количества на автомобильный транспорт приходится 87,419 тыс. т; железнодорожный 0,648 тыс. т; воздушный 0,025 тыс. т. Таким образом, основное количество загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу, приходится на выхлопы автотранспорта.
Отработавшие газы двигателя внутреннего сгорания содержат около 200 компонентов. Среди них свинец и его соединения, которые встречаются в отработавших.газах карбюраторных автомобилей только при использовании этилированного бензина, имеющего в своем составе присадку, повышающую октановое число. Кроме того, тяжелые металлы поступают в окружающую среду при истирании дорожного покрытия и автопокрышек.
Тяжелые металлы, поступающие из этих источников, находятся во взвешенном состоянии. Вместе с пылевыми частицами тяжелые металлы попадают в легкие человека и в кровь. По литературным данным [13, 145, 148] 50% тяжелых металлов попавших в организм человека именно таким путем, полностью аккумулируются, при накоплении вызывая нарушения работы
5 кроветворных органов и центральной нервной системы, тогда как 95% тех же металлов, попадая вместе с пищей, выводятся.
Таким образом, приоритетными загрязнителями для Орловской облас-ти являются тяжелые металлы и радионуклиды, такие как Cs. Основным источникам тяжелых металлов являются выбросы автотранспорта, радионуклидов - аварийные выбросы АЭС, в том числе последствия аварии на ЧАЭС.
Зеленые насаждения парковых зон способны очищать атмосферный воздух от пылегазовых частиц и аккумулировать тяжелые металлы, находящиеся во взвешенном состоянии, особенно опасном для здоровья человека. Но рами растения также подвергаются неблагоприятному воздействию загрязняющих веществ, поступающих в окружающую среду. Это сказывается на их развитии и физиологических процессах, что, в свою очередь, снижает биологическую устойчивость и защитные функции зеленых насаждений. Различные породы зеленых насаждений в результате их физиологических и морфологических особенностей характеризуются неодинаковой способностью накапливать тяжелые металлы. Выявление пород зеленых насаждений, способных эффективно аккумулировать тяжелые металлы, сохраняющих биологическую устойчивость позволит оздоровить окружающую среду.
Цель и задачи исследования. Основная цель настоящего исследования состоит в оценке роли различных видов транспорта на накопление и распределение тяжелых металлов в экосистемах парковых зон северной зоны европейской лесостепи.
Достижение цели предполагает решение следующих задач:
выявить зависимость между интенсивностью транспортной нагрузки и уровнем загрязнения тяжелыми металлами основных сред, прилежащих к трассе парковых экосистем (атмосферный воздух, осадки, почва);
определить влияние интенсивности транспортной нагрузки на уровень загрязнения тяжелыми металлами в листьях древесных растений парковых экосистем;
установить связь между интенсивностью движения автотранспорта и состоянием тест-объектов по морфологическим и физиологическим показателям листьев. Выявить оптимальные сроки использования листьев древесных растений в качестве индикаторов по накоплению тяжелых металлов;
определить зависимость содержания Cs в почве от уровня загрязнения в почве и количества атмосферных осадков;
выявить влияние содержания тяжелых металлов в почве, атмосферных осадках на некоторые морфологические и физиологические признаками листьев древесных растений (площадь, количество хлорофилла, флуктуирующая асимметрия);
определение чувствительности основных древесных видов парковых насаждений к загрязнению окружающей среды методами биоиндикации.
Научная новизна. Впервые проведен комплексный анализ влияния интенсивности движения различных видов транспорта на содержание и распределение тяжелых металлов в различных компонентах парковых экосистем (атмосферные осадки, почва, зеленые насаждения) для северной (луговой, или лугово-лесной) зоны Европейской лесостепи. Установлена зависимость между исследуемыми факторами и компонентами окружающей среды.
Научно-практическая значимость работы. Полученные результаты используются при проектировании и проведении озеленительных работах Муниципальным унитарным предприятием совхоз «Коммунальник».
По данным диссертации подготовлены методические указания «Индикация загрязнения атмосферного воздуха по изменению содержания хлорофилла в листьях древесных растений» для проведения лабораторных работ по дисциплине «Экология» для студентов всех специальностей ОрелГТУ.
Использование метода биоиндикации (определение флуктуирующей асимметрии листьев) открывает новые перспективы в изучении изменчивости морфологических признаков листьев древесных растений от воздействия техногенных факторов.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на V международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Экологическая безопасность и устойчивое развитие» (Москва, 2001), VI международной конференции «Поиск решения проблем выживания и безопасности Земной цивилизации» (Иркутск, 2002), XVIII международной конференции «Человек и общество: на рубеже тысячелетий» (Воронеж, 2003). На ежегодных внутри- и межвузовских конференциях: с 2000 по 2004 год - ОГУ; с 2001 по 2006 год - ОрелГТУ. Основные положения работы получили поддержку в виде именной стипендии губернатора Орловской области.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано девять печатных работ, отражающих ее основное содержание, две работы приняты к печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, семь глав, заключения, выводов, списка литературы, содержащего 165 источника, в том числе 12 зарубежных авторов. Работа изложена на 145 страницах, включая 26 таблиц, 15 рисунков, 16 приложений.
Особенности городской среды как экосистемы
Сегодня значительная часть населения России сосредоточена на высоко урбанизированных территориях. Здесь находится большое количество крупных промышленных предприятий, единиц автотранспорта, которые являются источниками эмиссии загрязняющих веществ.
Города - это специфические творения человека, адаптация к которым связана с существенными издержками для здоровья и самочувствия людей [4, 145]. Поскольку города становятся основными системами для жизни большинства людей, крайне важно изучение и прогноз их воздействий на человека, окружающую его среду и биосферные процессы в целом.
Города вряд ли можно назвать экосистемами в общепринятом понимании. В них отсутствуют основные свойства экосистем: способность к саморегулированию (гомеостазу) и круговороту веществ. Здесь практически отсутствует звено продуцентов и заметно подавлена деятельность редуцентов. Существование города невозможно без постоянного притока энергии. С прекращением притока энергии развитие города неизбежно пойдет по закономерностям первичной или вторичной сукцессии [9, 28, 110, 151, 148].
В городах наиболее полно проявляются свойственные техногенным образованиям замены замкнутых круговоротов веществ прямоточными линиями с результатом накопления отходов и загрязнений [40, 47, 95, 119].
Городские или урбанизированные территории имеют ряд специфических особенностей. К наиболее важнейшим из них следует отнести:
- город - это своеобразная биогеохимическая провинция. Для нее характерен аккумуляционный тип потока веществ. Хотя химический состав та 9 ких образований может существенно различаться в зависимости от наличия предприятий различного профиля и других факторов, но практически во всех случаях такие потоки являются закономерным явлением;
- атмосфера городов характеризуется высокой запыленностью и пониженной прозрачностью. Например, в Москве поверхности земли достигает на 10 % меньше прямой солнечной радиации и на 30 % меньше ультрафиолетовых лучей, чем в окружающей город местности [148];
- для городов характерно повышенное прогревание воздуха. Их рассматривают как специфические «острова тепла». В средних широтах годовая температура здесь может быть на 1-2 С выше, чем в окружающей местности, а в отдельные периоды, например при большом контрасте суточных температур и безветренной погоде, в ночные часы здесь может быть теплее, чем за городом, на 6-8 С [147];
- повышенная запыленность, характерная для города, ведет к увеличению ядер конденсации для влаги. Этот факт, а также замедление воздушных потоков над городом (следствие дополнительной «шероховатости» поверхности) являются причинами большей облачности, а также дней с туманами и атмосферными осадками [119,150];
- в воздухе города содержится значительно больше микроорганизмов, самоочищающая способность атмосферы ниже [4, 95];
- крайне специфичны влагообороты городов. Природные циклы влаго-оборотов практически полностью разрушены. На большей части территории осадки не проникают в почву, поэтому питание грунтовых вод и грунтовая составляющая стока сведена до минимума. Транспирационный расход влаги также незначителен. Выпадающие осадки в основном расходуются через поверхностный сток. Последний в периоды ливней характеризуется высокой интенсивностью и сильной загрязненностью [148].
Почва как элемент городских экосистем благодаря своим физико-химическим свойствам, аккумулирует различные токсические соединения, становясь одним из важнейших биогеохимических барьеров на пути большинства загрязняющих веществ. Так как на большей части городских территорий антропогенное воздействие преобладает над естественными факторами почвообразования, то в городах присутствуют специфические типы почв, по физическим и химическим параметрам значительно отличающиеся от своих природных аналогов. Особенностью городских почв является их высокая загрязненность многими токсическими веществами, в том числе и тяжелыми металлами [28, 57, 119, 122].
Почвы транспортно-селитебных ландшафтов характеризуются перенасыщенностью строительным и бытовым мусором (до 20-50%), сильным варьированием содержания органического вещества [28,143].
Большинство выбросов токсических веществ в городскую среду сосредотачивается на поверхности почвы, где происходит их постепенное осаждение. Их миграция по почвенному профилю не подчиняется закону нормального распределения. Например, содержание тяжелых металлов может варьировать в пределах двух трех порядков, локально превышая ПДК в 5-100 раз, а их изменение по почвенному профилю имеет два и более максимумов. При максимальном проявлении процессов химического загрязнения почва полностью утрачивает способность к продуктивности и биологическому самоочищению, что ведет к нарушению ее экологических функций [47,110, 114,150].
В большинстве российских городов промышленные предприятия нередко располагаются в жилых районах города. Поэтому на территории города трудно выделить районы только промышленные или только жилые. Одна и та же территория может быть отнесена и к промышленной, и к жилой, и к автотранспортной, поскольку она может размещаться в жилом районе, вблизи автомобильной магистрали и вблизи крупного промышленного источника выбросов [1, 145,148]. Поэтому важно изучать загрязнения не только отдельных элементов городской экосистемы (атмосферный воздух, осадки, почва), но и их общее влияние на зеленые насаждения.
Климат Орловской области
На рост и жизнедеятельность растений оказывают большое влияние климатические условия. Для каждой климатической зоны характерны определенные виды растений, которые, будучи помещенными в другие климатические условия, испытывают стресс. Таким образом, растения-фитомелиоранты не смогут выполнять свои функции, если они не приспособлены к конкретным климатическим условиям.
Согласно современной классификации климата, Орловская область расположена в пределах его умеренно-континентального типа [63].
Территория Орловской области расположена в северной или луговой (лугово-лесной) зоне Европейской лесостепи [2, 134, 141].
Регион характеризуется неравномерностью выпадения осадков в течение вегетационного сезона и в отдельные годы. По средним многолетним данным количество осадков составляет 520 мм в год с колебаниями от 360 до 789 мм, при этом наибольшее их количество выпадает в июле (в среднем 98 мм). Средняя температура воздуха в самом теплом месяце июле составляет +18,9 С, а в наиболее холодном - январе -9,5 С [56, 63].
Солнечная радиация. По территории области суммарная радиация (прямая + рассеянная) закономерно возрастает с севера на юг от 89 до 92 ккал/см . Более половины всей солнечной радиации (53 %) поступает в виде рассеянной радиации, остальная - в виде прямой. Это означает, что на территории Орловской области преобладают пасмурные дни, что достаточно ясно указывает на особенности местного климата, для которого характерна большая облачность вследствие перемещения воздушных масс в системе циклонов. Коротковолновая радиация поглощается земной поверхностью, часть ее отражается и переизлучается нагретой поверхностью в виде длинноволновой радиации. Альбедо деятельной поверхности возрастает с севера на юг от 24 % до 26 %, что объясняется сменой более облесенных районов на безлесные, степные [63].
Приход солнечной радиации закономерно нарастает от декабря к июню, затем снова постепенно снижается. Это зависит от продолжительности дня и высоты Солнца. Для широт, в пределах которых расположена территория Орловской области, полуденная высота Солнца меняется от 59 в июне до 12 в декабре. Продолжительность дня в июне 17 часов, в декабре около 8 часов [63].
Воздушные массы и их циркуляция. Над территорией Восточно-Европейской равнины встречаются воздушные массы: арктические, морские, умеренно-континентальные, тропические.
Арктические и умеренные воздушные массы встречаются на арктическом фронте. Умеренные и тропические - на полярном [56, 63].
С наступлением зимы арктический и полярный фронты смещаются к югу. Зимой на всей территории Европейской части нашей страны господствуют умеренные воздушные массы. Сюда могут вторгаться с севера холодные арктические массы, а с юга более теплые, тропические. В декабре - марте над нашей областью господствуют ветры преимущественно южного и юго-восточного направлений. Вторжение циклонов с Атлантики приносит пасмурную погоду со снегопадами, переходящими часто в оттепели [56, 63].
Летом воздушные массы умеренных широт формируются из пришедших с севера арктических воздушных масс, прогретых по мере продвижения над теплой земной поверхностью. Летом ветры северных направлений являются преобладающими и составляются 18-19 %. Немногим уступают им по повторяемости в летний сезон воздушные массы Атлантики: ветры западного и северо-западного направлений, 15 % и 17 % соответственно [63]. Весной на территорию Орловской области начинают поступать с южными и юго-восточными ветрами теплые воздушные массы.
Осенью преобладают воздушные массы юго-западного и западного направлений. Но часто происходит заток холодного арктического воздуха с северо-запада, в тылу перемещающихся со стороны Скандинавии циклонов.
Таким образом, воздушные массы, перемещающиеся в системе циклонов и антициклонов, являются основными формами атмосферной циркуляции и определяют погоду и климат Орловской области [63].
Основные типы почв Орловской области и их краткая характеристика. Почвы Орловской области сформированы, в основном, на лессовидных суглинках и лессах. Преимущественно - это оподзоленные (реже типичные) черноземы и темно-серые лесные почвы. В северо-западной и западной частях области, наряду с преобладающими здесь серыми и светло-серыми лесными почвами, распространены подзолистые и дерново-подзолистые. Для речных пойм характерны лугово-черноземные и почвы зернистой и зернисто-слоистой пойм.
По почвенному составу территория области - переходная от дерново-подзолистых почв к черноземам. Сплошное залегание черноземов отмечено лишь по правобережью реки Оки [56, 63].
Чернозем оподзоленный. Существенным отличительным морфологическим признаком этого типа почв является так называемая кремнеземистая присыпка в нижней, а иногда и в средней части гумусового горизонта. Она имеет форму белесоватого налета, которым как бы припудрены структурные отдельности. Это придает светлый оттенок нижней части гумусового горизонта. Гумусовый горизонт в оподзоленном черноземе сохраняет строение, характерное для типичного чернозема. Содержание гумуса вниз по профилю падает постепенно и равномерно. Однако, содержание гумуса во всех частях гумусового горизонта заметно меньше, чем в типичном черноземе. Распределение обменных оснований в средней части профиля уменьшается за счет распада гумуса. рН водной суспензии во всем профиле сдвинут в кислую сторону и колеблется около 5,5-6,0. Наибольшей величины кислотность достигает в средней и нижней частях гумусового горизонта. В валовом составе оподзоленного чернозема содержание кремнезема в верхних горизонтах несколько выше по сравнению с материнской породой, в то время как содержание полуторных окислов несколько ниже. Характерно, что эти признаки распространяются на довольно мощный слой, примерно соответствующий гумусовому горизонту [104].
Характеристика транспортного потока на исследуемых парковых ландшафтах
Проведенные исследования показали, что нагрузка автотранспорта составила 2067, 1528, 1231 автомобилей в час, для участков 1, 2 и 3 соответственно (Приложение 4).
Наибольшее количество легкового автотранспорта отмечено на участке № 1 (1560±2,5 автомобилей в час), затем следует участок №2(1100±2,3 автомобилей в час), менее всего отмечается на участке № 3 (903±1,8 автомобилей в час). По количеству грузового транспорта работающего на дизельном топливе наблюдается другая динамика. Больше всего автомобилей на участке № 2 (12±0,55 автомобилей в час), затем идет участок № 1 (6±0,25 автомобилей в час) и участок № 3 (5±0,12 автомобилей в час). Таким образом, участки № 3 и № 1 практически не отличаются по количеству грузовых автомобилей на дизельном топливе, в отличие от участка № 2, на котором их количество в два раза больше. Распределение грузовых автомобилей, работающих на бензине, совпадает с распределением легковых автомобилей. Больше всего их отмечено на участке № 1 (48±1,15 автомобилей в час), далее следует участок № 2 (24±0,48 автомобилей в час) и участок № 3 (7±0,92 автомобилей в час). Таким образом, основное количество данного вида транспорта приходится на участок № 1. Распределение автобусов по исследуемым участкам имеет следующий вид. Более всего автобусов на дизельном топливе отмечено на участке № 3 (12±0,14 автомобилей в час), затем на участке № 1 (3±0,15 автомобилей в час) и участке № 2 (2+0,12 автомобилей в час). Распределение дизельных автобусов похоже на распределение дизельных грузовиков. Здесь также выделяется участок № 3, на котором количество данного автотранспорта преобладает в несколько раз по сравнению с двумя другими. Динамика распределения автобусов, работающих на бензине, сходна с динамикой распределения легкового автотранспорта и грузовых автомобилей, работающих на бензине. В данном случае также лидирует по количеству единиц транспорта участок № 1 (120+1,5 автомобилей в час), далее участок № 2 (95±1,34 автомобилей в час) и участок № 3 (86±1,65 автомобилей в час). Распределение троллейбусов аналогично распределению дизельных автобусов. Наибольшее их количество приходится на участок № 3 (68+1,15 единиц в час), далее следует участок № 1 (55±0,74 единиц в час) и участок № 2 (45±1,12 единиц в час). Распределение микроавтобусов аналогично общему распределению транспорта по участкам и распределению легкового транспорта, грузовиков и автобусов, работающих на бензине, т.е. максимальное их количество приходится на участок № 1 (275+2,5 автомобилей в час), затем участок № 2 (250±2,1 автомобилей в час) и участок № 3 (205+2,9 автомобилей в час).
Выше приведенные данные, выраженные в процентном отношении от общего числа транспортных единиц для каждого исследуемого участка, выглядят следующим образом (таблица 3).
На участке № 1 доля легкового автотранспорта составила 75,4 7% от общего числа транспортных единиц, доля микроавтобусов - 13,30 %, доля автобусов, работающих на бензине - 5,80 %, доля троллейбусов - 2,66 %, грузовых автомобилей, работающих на бензине - 2,32 %, дизельных грузовых автомобилей - 0,29 %, дизельных автобусов - 0,14 % (Приложение 1). Таблица 3 - Распределение транспортных единиц на различных участках, за 2001-2003 год
На участке № 2 доля легкового автотранспорта составила 71,98 %, микроавтобусов - 16,36 %, автобусов, работающих на бензине - 6,21 %, троллейбусов - 2,94 %, грузовиков с бензиновым двигателем - 1,57 %, дизельных грузовиков - 0,78 %, дизельных автобусов - 0,13 % (Приложение 2).
На участке № 3 основу транспортного потока, как и в двух предыдущих случаях, составляет легковой автотранспорт, его доля - 69,00 %, доля микроавтобусов - 16,65 %, автобусов, работающих на бензине - 6,98 %, троллейбусов - 5,52 %, дизельных автобусов - 0,97 %, грузовиков с бензиновым двигателем - 0,56 %, дизельных грузовиков - 0,40 % (Приложение 3).
Как видно из приведенных данных, поток автотранспорта отличается количественно, но не качественно. Во всех трех участках основу транспортного потока составляют легковые автомобили, затем микроавтобусы и автобусы с бензиновым двигателем. Количество транспортных единиц с дизель 46 ным двигателем, как грузовых автомобилей, так и автобусов, значительно уступает количеству транспортных единиц, работающих на бензине. Таким образом, можно предположить, что состав загрязняющих веществ в выбросах будет одинаковым на всех исследуемых участках.
