Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ПОДХОДЫ К ИССЛЕДОВАНИЮ УРБОЭКОСИСТЕМ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 9
ГЛАВА 2. ПРИРОДНО - ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИИ ОБСЛЕДОВАНИЯ ...19
2.1. Физико-географическая характеристика 19
2.2. Техногенное загрязнение г. Иркутска 42
Выводы по главе 2 53
ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 54
3.1. Объекты исследования и натурные методы 54
3.2. Аналитические методы исследований 62
ГЛАВА 4. СОСТОЯНИЕ ДРЕВЕСНЫХ И ТРАВЯНИСТЫХ РАСТЕНИЙ Г.ИРКУТСКА 68
4.1. Особенности произрастания растений в городских условиях 68
4.2. Морфометрические параметры древесной растительности 87
4.3. Элементный состав древесных растений 105
Выводы по главе 4 135
ГЛАВА 5. ПОЧВЫ Г. ИРКУТСКА: ФАКТОРЫ ПЛОДОРОДИЯ И БУФЕРНОСТЬ ПО ОТНОШЕНИЮ К ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКЕ 137
5.1. Физические свойства и показатели антропогенной нарушенности городских почв 137
5.2. Физико-химические и химические показатели городских почв..146
5.3. Тяжелые металлы: геохимическое перераспределение по почвенному профилю 170
Выводы по главе 5 193
ГЛАВА 6. ЗОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ Г. ИРКУТСКА ПО ЗАГРЯЗНЕНИЮ И СОСТОЯНИЮ ПОЧВ И ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ 195
6.1. Картографический подход к оценке экологического состояния городской среды (анализ литературных данных) 195
6.2. Картографирование территории г. Иркутска по уровню загрязнения почв и древесной растительности 201
6.3. Картографирование территории г. Иркутска по состоянию почв и древесной растительности 207
6.4. Расчет величин критических нагрузок техногенного загрязнения (по диоксиду серы) в пределах территории г. Иркутска 213
Выводы по главе 6 220
Рекомендации по улучшению состояния почвенного покрова и древесной растительности на территории г. Иркутска 222
Общие выводы 229
Список литературы 231
Приложение 265
- ПОДХОДЫ К ИССЛЕДОВАНИЮ УРБОЭКОСИСТЕМ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
- Физико-географическая характеристика
- Объекты исследования и натурные методы
Введение к работе
Актуальность исследований обусловлена необходимостью оценки экологического состояния таких сложных систем, как городские агломерации, в пределах которых имеет место интегральное воздействие большого числа негативных факторов, приводящее к значительному ухудшению условий жизни населения. Современная урбоэкосистема, как правило, характеризуется высоким уровнем загрязнения, связанным с интенсивным развитием промышленности и транспорта. В этом смысле город Иркутск не исключение, он входит в список самых загрязненных населенных пунктов России (Государственный ..., 2004).
Среди широкого спектра исследуемых компонентов урбоэкосистем большое внимание отводится древесным насаждениям и почвенному покрову. Почва в городских условиях — мощный своеобразный фильтр, поглощающий и до некоторой степени обезвреживающий токсичные выбросы. Зеленые насаждения обладают уникальной фильтрующей способностью. Они поглощают из воздуха и нейтрализуют в тканях значительное количество вредных компонентов промышленных эмиссий, способствуя сохранению оптимального газового баланса в атмосфере. Поэтому оценка экологического состояния городской среды, основанная на изучении параметров почв и растений, является наиболее адекватной (Ильин, Степанова, 1979; Садовникова, Зырин, 1985; Обухов, Лепнева, 1989; Ильин, Сысо 2001). Вместе с тем, комплексных исследований взаимосвязанных изменений параметров древесных растений и свойств почв на профильно-генетическом уровне в пределах городской территории в литературе нами не отмечено. Это и предопределило использование подобного подхода для оценки степени трансформации современной урбоэкосистемы.
Цель исследования. Изучить состояние почв и древесных насаждений в парковых и лесопарковых зонах крупного промышленного центра (г. Иркутска) и на основе полученных данных провести экологическое зонирование его территории по степени нарушенности окружающей среды. Задачи:
1. Исследовать элементный состав и морфометрические параметры древесных растений, произрастающих на городской территории.
Изучить физические и физико-химические свойства городских почв.
Определить специфику геохимического перераспределения основных элементов в почвенном профиле.
Выявить связи между изменением морфоструктурных показателей почв и растений в условиях городской среды.
Построить карты-схемы, отражающие состояние и уровень загрязнения растительности и почв на обследованной урбанизированной территории.
6. Разработать рекомендации по улучшению состояния древесных растений и почв в парковых зонах г. Иркутска.
Положения, выдвигаемые на защиту.
1. Атмосферные техногенные выбросы — один из наиболее значимых факторов, негативно влияющий на состояние почв и древесных насаждений урбоэкосистемы.
В пределах городской территории состояние растительности служит более чувствительным индикатором на воздействие техногенных эмиссий, чем состояние почв.
Физико-химические изменения в почвенном профиле и интенсивность их развития адекватно отражают степень антропогенной нагрузки на почвенный покров городской территории.
Научная новизна работы. Впервые проведена оценка состояния почвенного покрова и растительности на урбанизированной территории, учитывающая взаимосвязанное функционирование этих компонентов. Исследованы процессы генетического и геохимического формирования почвенного профиля в урбоэкосистеме. Установлены высокие уровни корреляционных связей между морфоструктурными, а также токсикологическими параметрами почв и растительности в пределах городской территории. Показано, что древесные растения обладают более высокой чувствительностью к антропогенной нагрузке, чем почвы, вследствие чего могут служить адекватными индикаторами состояния урбоэкосистемы. Полученные в работе результаты развивают представление о геохимическом перераспределении веществ в системе почва - растительность в пределах городской среды, а также выявляют особенности техногенной трансформации урбоэкосистем.
Практическая значимость работы. Разработаны карты-схемы состояния и загрязнения почв и древесной растительности для крупного промышленного центра (г. Иркутск), при этом выделены территории разной степени нарушенности этих компонентов. С учетом определения критической кислотной нагрузки атмосферного загрязнения на древесные растения разработана интегральная карта-схема загрязнения городской территории. Разработанный подход неоднократно использовался для оценки и прогнозирования состояния почв и растительности в городах Предбайкалья. Результаты работы публиковались в «Государственных докладах о состоянии и охране окружающей среды в Иркутской области» (в 2002-2004 гг.). Полученные материалы представляют интерес для природоохранных и административных органов при оценке качества городской среды и принятии мер по ее улучшению, а также при установлении нормативов загрязняющих веществ на городских территориях. Разработанные рекомендации по улучшению почвенного покрова и восстановлению его плодородия, по озеленению и охране городских территорий переданы службам городского хозяйства.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на международных совещаниях: международной научно-практической конференции «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем» (Иркутск, 2001), IX международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов — 2001» (Москва, 2002), международном экологическом форуме «Environment and Human Health» (Санкт-Петербург, 2003), международной научной конференции «Ксенобиотики и живые системы» (Минск, 2003), международной научной школе-конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2003), XI международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2004» (Москва, 2004), международной конференции «Science for watershed conservation: multidisciplinary approaches for natural resource management» (Ulan-Ude, Russia, 2004), II международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2004), международной научной конференции «Экологические функции лесных почв в естественных и антропогенно нарушенных ландшафтах (Петрозаводск, 2005), международной Верещагинской байкальской конференции (Иркутск, 2005); всероссийских совещаниях: XV конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 2003), научной конференции молодых ученых ИНЦ СО РАН «Современные проблемы геохимии» (Иркутск, 2004), всероссийской конференции «Структурно-функциональная организация и динамика лесов» (Красноярск, 2004), всероссийской научной конференции «Проблемы сохранения разнообразия растительного покрова Внутренней Азии» (Улан-Удэ, 2004), III всероссийской конференции «Гуминовые вещества в биосфере» (Санкт-Петербург, 2005), всероссийской конференции «Проблемы биологической науки и образования в педагогических вузах» (Новосибирск, 2005), всероссийской конференции «Природная и антропогенная динамика наземных экосистем» (Иркутск, 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 27 работ, в том числе 1 монография (в составе авторского коллектива) и 3 статьи в рецензируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 264 страницах, состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы (358 наименований, из них 56 на иностранном языке) с приложением, иллюстрирована 40 рисунками, содержит 30 таблиц.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям: главному научному сотруднику, доктору биологических наук Т.А. Михайловой и доктору географических наук, профессору Ю.М. Семенову за внимание, ценные советы и помощь при выполнении работы; старшему преподавателю кафедры «Почвоведения» ИГУ Н.А. Мартыновой за помощь при проведении полевых работ; к.б.н. Н.С. Бережной за ценные рекомендации при выполнении химических анализов; к.б.н. Л.В. Дударевой за содействие при выполнении аналитических работ.
Подходы к исследованию урбоэкосистем (обзор литературы)
В настоящий период изучение экологической ситуации в городах является одним из приоритетных направлений в исследованиях окружающей среды. При этом в числе широкого спектра исследуемых компонентов городских территорий большое внимание отводится древесным насаждениям и почвенному покрову.
Почва в городских условиях выступает в роли мощного своеобразного фильтра, поглощающего и до некоторой степени обезвреживающего токсичные выбросы. Зеленые насаждения обладают уникальной фильтрующей способностью. Они поглощают из воздуха и нейтрализуют в тканях значительное количество вредных компонентов промышленных эмиссий, способствуя сохранению газового баланса в атмосфере. Однако буферная способность почв и устойчивость древесных насаждений по отношению к промышленным загрязнениям небеспредельны. В результате антропогенных изменений почва сама может стать средой, токсичной для роста и развития растений, источником дополнительного загрязнения городской экосистемы.
В процессе становления города постепенно происходит деградация его природной экосистемы и на ее месте формируется совершенно новая антропогенная система, для которой характерны специфические черты. При этом основное негативное влияние на экосистему города оказывают такие факторы, как загрязнение атмосферы выбросами промышленных предприятий и автотранспорта, шумовое и тепловое загрязнение, увеличение рекреационной нагрузки. Напряженность экологических проблем определяется в зависимости от масштаба города, природных условий территории, характера промышленного производства, особенностей застройки, уровня культуры горожан и их отношения к городскому хозяйству.
Современный город выступает в роли источника кризисных экологических проблем, которые выявились в нем не как теоретические обобщения, а как практические задачи, вызванные многочисленными отрицательными реакциями в различных областях человеческой жизни. В числе таких реакций могут быть названы изменения показателей состояния здоровья населения, рост заболеваемости (Проблемы ..., 2001). Антропогенные потоки вещества, образующиеся в ходе производственно-бытовой деятельности городского населения, чрезвычайно многообразны и содержат высокие концентрации широкого круга химических элементов, в том числе и токсичных. Включаясь в природные циклы миграции, антропогенные потоки приводят к быстрому распространению загрязняющих веществ в природных компонентах городского ландшафта, где неизбежно их взаимодействие с человеком. Анализ путей миграции антропогенных потоков и их сложности взаимодействия с окружающей средой — необходимое звено в цепи многофакторной оценки состояния экологической обстановки в городе (Геохимия..., 1990).
В настоящее время в литературе уделяется большое внимание теоретическим основам учения о городских экосистемах (Экология ..., 1987; Экогеохимия ..., 1995; Bridgman et al., 1996; Breuste et al., 1998; Huinink, 1998; Экология города, 2004). В основу этих работ положен эколого-геохимический анализ, который в свою очередь основан на количественных и качественных показателях, характеризующих сохранившуюся природную и техногенную среду. В работах выделяется два уровня систематики городских территорий: города как целостные природно-техногенные системы и собственно городские ландшафты внутри города (Пащенко, Тютюнник 1987; Тютюнник, 1991; Integrated ..., 1997; Коновалова, 2000).
Оценка загрязнения почвы является одним из приоритетных направлений экологических исследований на городских территориях, которые позволяют оценить нарастание изменений в антропогенном биоценозе. Изучение почв на городских территориях - достаточно молодое направление, как в экологии, так и в почвоведении. В настоящее время наблюдается интенсивная разработка теоретических основ учения о городских экосистемах и роли в них почв. Уже опубликовано много работ по экологии городских почв. Широко известны монографии Ю. Е. Саета «Геохимия окружающей среды» (1990) и голландского ученого A. Vinka «Ландшафтная экология и землепользование» (1983). В этих работах должное внимание уделено урбанизированным экосистемам и их преобразованиям под влиянием антропогенного фактора. В работах американского ученого P. Craula «Городские почвы в городском ландшафте» (1992) и «Городские почвы: применение и методы» (1999) подробно описана роль городских почв как природного тела в экосистеме города. В последние годы опубликован также монографический сборник, посвященный городским почвам г. Москвы под общей редакцией Г. В. Добровольского (1997), являющийся уникальным в своем роде. В сборнике целостно и емко отражены все основные почвообразовательные процессы, их взаимосвязи и трансформация в урбоэкосистеме.
Физико-географическая характеристика
Рельеф. Территория обследования включает город Иркутск - крупный индустриальный центр Восточной Сибири с его ближайшими окрестностями, общей площадью 306 км и фоновые участки: окрестности пос. Тальяны, пос. Подкаменная и пос. Нижний Кочергат (рис. 1).
Территория расположена на юге обширного Среднесибирского плоскогорья и относится к Прибайкальской области гор Южной Сибири (Гвоздецкий, Михайлов, 1978). В юго-западной части Среднесибирского плоскогорья широкой полосой к подножию Восточного Саяна примыкает Иркутско-Черемховская предгорная равнина, расположенная на тектонически стабильной Сибирской платформе. Территория равнины всхолмленная, эрозионно-денудационного происхождения (400 - 650 м), простирается с северо-запада на юго-восток Средней Сибири, расширена в северо-западном направлении и резко сужается в верховьях р. Ангары. С юга и юго-запада равнина обрамлена отрогами Восточного Саяна, с юго-востока ограничена Онотской возвышенностью и впадиной северо-восточного простирания, идущей параллельно отрогам Приморского хребта. На северо-востоке равнина плавно сочленяется с Лено-Ангарским холмисто-увалистым плато, здесь же проходит ее граница с Березовым хребтом. С севера равнину окаймляют предгорья Восточного Саяна и горы оз. Байкал (Предбайкалье ..., 1965). Перед хребтами Восточного Саяна на территории Иркутско-Черемховской равнины расположен Присаянский прогиб, а вдоль гор оз. Байкал протягивается Прибайкальский прогиб. В месте стыка Присаянского и Прибайкальского прогибов сосредоточены максимальные глубины впадины Иркутского бассейна (Логачев, 1958).
Территория обследования характеризуется сложным и неоднородным рельефом. Плоскоувалистые холмы разделены многочисленными долинами рек, распадками и оврагами. Для территории характерны два типа рельефа -эрозионно-денудационный (междуречий) и эрозионно-аккумулятивный (речных долин). Междуречья представлены широкими речными долинами, нередко заболоченными долинами и падями северо-западного и северовосточного простирания, что обусловило развитие типичной эрозионно-денудационной морфоструктуры. Глубина эрозионного расчленения колеблется в пределах 150 - 230 м. Характерной особенностью морфологии выделенной территории служит проявление карстовых форм рельефа.
По физико-географическому районированию юга Восточной Сибири (Ландшафты..., 1977) территория обследования принадлежит к Южно-Сибирской и Байкало-Джугджурской горнотаежным областям. По характеру рельефа она подразделяется на два региона. Территория г. Иркутска, пос. Тальяны и пос. Подкаменная относятся к Верхнеангарскому болотно-остепненно-подтаежному подгорному региону. Фоновая ; территория, расположенная в окрестностях пос. Нижний Кочергат, входит в Прибайкальский гольцово-горнотаежный и котловинный регион.
Иркутск расположен в юго-восточной части Иркутско-Черемховской равнины, которая носит название Иркутского амфитеатра. Географически город и его окрестности ограничиваются координатами 10410 - 10425 восточной долготы и 52с10 - 5220 северной широты. Иркутск расположен в хорошо террасированной долине р. Ангары, по обоим ее берегам. С запада в пределах города в р. Ангару впадает р. Иркут, с востока - р. Ушаковка (рис. 2). Вблизи города в р. Иркут впадают его притоки - реки Кая и Олха. Местность имеет сложный, сильно расчлененный рельеф, с плавными очертаниями холмистой равнины. Вершины междуречий имеют плоские формы, их высотные отметки составляют 480 - 520 м (Климат Иркутска, 1981). Водораздельные хребты благодаря сильной двусторонней эрозии представлены отдельными куполообразными холмистыми вершинами. Склоны не везде хорошо выражены и имеют, как правило, пологие, округлые формы, их углы наклона составляют от 2 - 8. Пади склонов представляют собой широкие, корытообразные котловины, постепенно переходящие в заболоченные участки. Наиболее обширные равнинные пространства встречаются в местах соединения широких долин крупных водных артерий - pp. Ангары, Иркута и Ушаковки. Окраины, окаймляющие подобные пространства, еще более усиливают черты плоскоувалистого рельефа (Николаев, 1948). Крупные речные долины рек, плоские водоразделы, обширные заболоченные участки разделяют территорию города на разрозненные участки, мало отличающиеся между собой по высоте (Иркутская ..., 1993). Максимальные относительные высоты в окрестностях Иркутска колеблются в незначительных пределах - от 160 м (в южной части) до 170 м (в северо-восточной части). Общие типичные черты рельефа в отдельных случаях нарушены геоморфологическими и геологическими процессами, и отдельные участки территории характеризуются крутыми, резкими склонами, присутствием сплошных обнаженных участков, висячих долин, оползней (Ломтадзе, 1938).
Объекты исследования и натурные методы
Объектами исследования служили естественные ненарушенные и естественные нарушенные серые лесные почвы и древесные породы: сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), лиственница сибирская (Larix sibirica Ledeb.), тополь (Populus sp.), береза повислая (Betula pendula Roth.). Данный тип почв и древесные породы были выбраны в качестве объектов исследования в связи с наиболее широким их распространением в парковых и лесопарковых зонах г. Иркутска. При изучении городских почв исследовались верхние гумусовые горизонты и почвенная подстилка, а также весь почвенный профиль по генетическим горизонтам. При обследовании древесных пород особое внимание уделялось сосне обыкновенной и тополю, имеющих индикационное значение. Известно, что сосна обладает высокой чувствительностью к атмосферному загрязнению, сравнимой с чувствительностью лишайников, и BJ . отличие от других хвойных, степень внешнего повреждения у этой породы соответствует ее физиологическому состоянию и накоплению токсикантов в -тканях (Гудериан, 1979; Рожков, Михайлова, 1989). Многие виды тополя характеризуются повышенной устойчивостью против пыли и промышленных выбросов городской среды, а накопление элементов-токсикантов в ассимиляционных органах этой породы хорошо отражает уровень загрязнения атмосферного воздуха (Кондратюк и др., 1992; Сергейчик, 1992). Полевые работы проводились в 2002-2003 гг. Закладка пробных площадей (ПП) и обследование почв и древесных пород проводились в соответствии с международной методикой ICP-Forest (Методика ЕЭК ООН, 1992). Всего в ходе исследований автором было заложено 16 ПП в парковых и лесопарковых зонах г. Иркутска (рис. 8) и 3 фоновых ПП на территории Предбайкалья (описание ПП представлено в приложении). Ключевые участки выбирались в соответствии с картой атмосферного загрязнения г. Иркутска (Региональный..., 1998) и с учетом опыта исследований, связанных с картографированием пригородных лесов по степени их загрязнения и угнетения аэропромвыбросами (Картографическая ..., 1999; Методический ..., 2000; Михайлова, 2003). Учитывалось также, что антропогенное преобразование почвенного покрова и растительности в парковых и лесопарковых зонах является наименьшим по сравнению с другими участками территории города, вследствие чего наиболее адекватно отражает морфоструктурные и биохимические изменения в системе почва - растение. Натурные обследования проводились во второй половине лета, с середины июля до начала августа. Работы выполнялись ежегодно в одно и то же время, разница во времени не превышала 1 недели. Обследование почвенного покрова и древесной растительности производилось в одной и той же последовательности. На полевом этапе работы на каждой ПП оценивалась степень антропогенной нагрузки, производилось полное геоботаническое описание по Ярошенко (1961), проводилась оценка состояния деревьев по визуальным, параметрам, изучалось состояние почвенного покрова и морфологические признаки почв, фиксировалась информация о влиянии пожаров и насекомых-вредителей. Также непосредственно в полевых условиях проводились определения эмиссии СО2 из верхних органогенных горизонтов почв (Физико-химические..., 1966). Для снижения степени влияния рельефа, видовых признаков почв, типа растительности, а также для экстраполяции полученной информации на другие территории со сходными условиями загрязнения и антропогенной нагрузкой, ПП закладывались на участках с горизонтальной выровненной поверхностью в соответствии с основными критериями выбора объектов почвенного мониторинга (Мотузова, 1988; International ..,, 1989, Гришина и др., 1991, Guidelines ..., 1997; Technical..., 2000). В качестве основного объекта исследования служили серые лесные почвы (рис. 9), для сравнения были изучены также дерновая лесная (ПП 14), дерново подзолистая (ГТШ5) и луговая (ПП 16) типы почв. Серые лесные почвы на данной территории. обследования характеризуются общими признаками и особенностями и не имеют значительных отличий в почвообразовательном процессе. Для получения объективной информации о состоянии почвенного покрова в городе обследование почв осуществлялось методом почвенных разрезов и посредством отбора средних (объединенных) проб квадратно-конвертным методом на участках с ненарушенной структурой. Для отбора средних почвенных проб закладывались три площадки. На каждой из них отбиралось по пять точечных образцов почвы методом конверта. Точки пробоотбора были расположены по диагоналям квадрата и представляли рисунок запечатанного конверта. Длина стороны конверта составляла 10 м. Пробы отбирались из почвенной подстилки (О) и гумусовых горизонтов (Ad, А) до глубины 20 см. При выполнении пробоотбора обязательно учитывалось, чтобы каждый почвенный образец соответствовал по морфологическим признакам горизонтам основного почвенного разреза.
