Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Свинец в почвах и растениях урбанизированных территорий (Литературный обзор) 9
1.1. Свинец: нахождение в природе, источники поступления в окружающую среду, токсичность 9
1.2. Поведение свинца в почве 15
1.3. Механизмы воздействия свинца на растения 18
1.4. Химический состав растений в связи с содержанием тяжелых металлов в среде...25
1.5. Современные принципы нормирования содержания тяжелых металлов в почвах и растениях 31
Глава 2. РАЙОН РАБОТ. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 36
2.1. Район работ 36
2.2. Материалы и методы исследования 40
2.2.1. Отбор проб 41
2.2.2. Подготовка проб к анализу 47
2.3. Методы анализа 49
ГЛАВА 3 Результаты и обсуждение 50
3.1. Источники поступления свинца на территорию г. Уссурийска и Уссурийского района 50
3.2. Свинец в почвах Уссурийского района 59
3.2.1. Зависимость содержания свинца в почве от мощности грузопотока 64
3.2.2. Зависимость содержания свинца в почве от удаленности от автострады федерального значения Хабаровск - Владивосток 68
3.2.3. Поступление свинца в почву из снега 69
3.2.4. Современный уровень содержания свинца в разных типах почв Уссурийского района 71
3.2.5. Санитарно-гигиеническая оценка состояния почв Уссурийского района 73
3.3. Свинец в растениях Уссурийского района 81
3.3.1. Свинец в укосах растений г. Уссурийска и Уссурийского района 81
3.3.2. Изменение уровня содержания свинца в укосах растений в зависимости от рельефа местности 83
3.3.3. Распределение свинца в фитомассе растений разных жизненных форм 84
3.3.4. Зависимость содержания свинца в растениях от содержания подвижных форм металла в почве 91
3.3.5. Зависимость накопления свинца растениями разных жизненных форм от мощности грузопотока 96
3.3.6. Оценка уровней накопления свинца растениями г. Уссурийска и Уссурийского
района 104
ВЫВОДЫ 106
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 108
Приложение 130
- Свинец: нахождение в природе, источники поступления в окружающую среду, токсичность
- Район работ
- Современный уровень содержания свинца в разных типах почв Уссурийского района
Введение к работе
Проблема свинцового загрязнения компонентов окружающей среды актуальна в связи с ростом числа источников поступления свинца. Свинцовое загрязнение влияет на состояние экосистем в целом и приносит значительный вред здоровью населения загрязненных территорий (Лобанова Е.А., 1987; Ревич Б.А. , 2001; Юренок Т.А., 2000). В России принята Государственная целевая программа от 26. 09. 97 г. № 1237 «Предупреждение свинцового загрязнения». Реализация программы рассчитана на 1999 - 2010 годы. Во всем мире остро стоит проблема автотранспорта как главного источника выбросов свинца (Безель B.C., 1992, Васильева Л.И., 1998, Зайцева Н.В., 1999, Dairies R., 1970 и др.).
Особенности распределения свинца в почвенном покрове, накопление его растениями в урбанизированных районах, подверженных техногенному прессу подробно не исследованы. В то же время, проблема свинцового загрязнения имеет важное значение, как для понимания процессов, протекающих в естественных и искусственных экосистемах, так и для решения практических задач, связанных с охраной окружающей среды в условиях южного Приморья. Свинец является приоритетным загрязнителем атмосферного воздуха, почвы и других компонентов окружающей среды и его накопление в среде идет наиболее высокими темпами (Ильин, 1991).
С середины прошлого столетия начинается активное изучение действия свинца на все компоненты окружающей природной среды: почвы (Лупинович, Дубиковский, 1970; Уильям X., 1988; Смит У.Х., 1988; Ильин,
) 1991; Богдановский, 1994 и др.), растений (Schuck Е.A., Locke J.K. 1970; Smith, 1971; Дуглас П. Ормрод. 1988; Ильин, 1991; Прохорова, 1998 и др.). Внимание к техногенным источникам поступления тяжелых металлов в биосферу объясняется все возрастающими объемами промышленных выбросов и отходов.
Уссурийский район характеризуется развитым промышленным и сельскохозяйственным производством. Г. Уссурийск - крупный автотранспортный центр, единственный город Приморского края, не имеющий объездной дороги.
Современное состояние почв и растительного покрова г. Уссурийска и Уссурийского района относительно содержания свинца остается не изученным. Изучение уровней концентраций свинца в почве и растениях Уссурийского района в сложившейся экологической ситуации актуально и необходимо для того, чтобы оценить и прогнозировать качество природной среды и разработать мероприятия для ее улучшения.
Цель работы: оценить содержание и распределение свинца в почве и растениях как показатель воздействия автотранспорта на среду г. Уссурийска.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Выявить основные источники поступления свинца в компоненты природной среды г. Уссурийска и Уссурийского района;
Определить уровни содержания и закономерности распределения свинца в почвах Уссурийска и Уссурийского района, составив карту - схему свинцового загрязнения;
Исследовать зависимость накопления свинца снегом районов с разной техногенной нагрузкой;
Установить уровни концентраций свинца в органах и тканях массовых видов растений и укосах травянистых растений г. Уссурийска и Уссурийского района в зависимости от условий произрастания. Выделить виды растений — индикаторов свинцового загрязнения;
Оценив химико-экологическую ситуацию г. Уссурийска и Уссурийского района по загрязнению свинцом, выделить виды растений, способных улучшить состояние среды.
Научная новизна. В работе установлены причинно — следственные связи между количеством, характером движения автотранспорта и содержанием свинца в почве и растениях.
Впервые показано, что мощность грузопотока более 1000 автомобилей в час способна увеличить содержание свинца в почве до З ПДК. На уровень содержания свинца в почвах влияют характер движения автотранспорта, угол уклона автотрассы от 3 до 15. Наибольшей подвижностью, а следовательно, и доступностью для растений, свинец обладает в техногенных и лугово-бурых оподзоленных почвах.
6 Выявлена прямая зависимость между содержанием свинца в растениях и
концентрацией подвижных форм свинца в почве, обусловленной мощностью
грузопотока от 1000 до 1400 автомобилей в час.
Несмотря на то, что свинец является элементом слабого поглощения
растениями, некоторые виды способны накапливать его в критических
концентрациях.
Выделены растения - индикаторы свинцового загрязнения: Taraxacum
officinale, Physocarpus opulifolia, Ulmus pumila, Betula platyphylla.
Практическая значимость В работе дана оценка состояния почв и растений г. Уссурийска и Уссурийского района по содержанию свинца. Проведено ранжирование города и района по степени загрязнения свинцом. Установленные современные уровни содержания свинца в разных типах почв Уссурийского района позволяют прогнозировать изменение химико-экологической ситуации во времени и пространстве.
Подсчет грузопотоков на основных автомагистралях г. Уссурийска и Уссурийского района необходим при разработке мероприятий по улучшению организации транспортных потоков.
Предложены виды растений для посадки, способные улучшить химико-экологическую ситуацию селитебных территорий.
Результаты исследования должны быть использованы как основа при разработке разделов ОВОС при планировании хозяйственной деятельности.
Полученные данные используются в нескольких курсах лекций и практикуме для студентов -экологов УГПИ.
Защищаемые положения:
Основной источник свинцового загрязнения исследуемой территории -автотранспорт (1,4 тыс.тонн свинца в год). В результате его воздействия максимальное количество РЬ накапливается в почвах центра г. Уссурийска, северо-западного и юго-восточного направлений.
Особенности накопления РЬ растениями выразились в максимальном содержании элемента в листьях древесных и кустарниковых растений и в корневой системе 60% травянистых растений. Taraxacum officinale, Physocarpus opulifolia, Ulmus pumila и Betula platyphylla могут быть использованы в качестве биоиндикаторов.
3. Посадки вдоль автомагистралей Physocarpus opulifolia, Ulmus pumila и
Betula platyphylla, вывоз снега и листового опада на специальные
полигоны за черту населенных пунктов улучшит химико-экологическую
* ситуацию г. Уссурийска и Уссурийского района. Апробация работы Результаты работы представлялись и докладывались на IV Региональной конференции молодых ученых «Проблемы экологии и / рационального природопользования Дальнего Востока» (Владивосток, 2000), на международной научно-практической конференции «Аграрная политика и технология производства сельскохозяйственной продукции в странах АТР» (Уссурийск, 2001), на десятой международной научно-практической конференции «Социальные и психологические аспекты семьи» (Владивосток,
2001), семинарах на кафедре общей экологии ДВГУ, кафедре методики естествознания Уссурийского государственного педагогического института.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Работа выполнена при финансовой поддержке МУ «Дирекция экологического фонда» (директор Шмаков В.И.).
Свинец: нахождение в природе, источники поступления в окружающую среду, токсичность
Свинец относят к тяжелым металлам. К этой группе относятся химические элементы, обладающие свойствами металлов и металлоидов, с плотностью более 5 г/смЗ (Алексеев, 1987). Для биологической классификации целесообразнее руководствоваться не плотностью, а атомной массой (Ильин, 1991). С этих позиций к тяжелым металлам относят химические элементы с атомной массой более 40 у.е. (Алексеев, 1987) или — более 50 у.е. (Абуталыбов, 1961; Власюк, 1956; Ильин, 1991 и др.). В исследованиях биологов, экологов и биохимиков свинец рассматривается довольно часто (Алексеев, 1987; Алексеенко, 1990; Ильин, 1991; Христофорова и др., 1993).
Кроме уже упоминавшейся классификации тяжелых металлов (Алексеев, 1987), существуют и другие биологические классификации, основанные на их биохимическом поведении и физиологической роли (Pettersson,1976), степени токсичности для живых организмов (Ильин, 1991; Pettersson,1984), степени биологического поглощения (Стебаев и др., 1993) и др. По классификации Дж. Вуда (Wood, 1974) свинец относится к очень токсичным тяжелым металлам. Свинец является приоритетным загрязнителем, так как его накопление в среде идет наиболее высокими темпами (Ильин, 1991).
Основные руды, содержащие свинец - галенит, англезит, церрусит, пироморфит, миметит. Свинец поглощается органическими и минеральными коллоидами почвы, прочно удерживается гумусом (Алексеев, 1987; Эмсли, 1993). Биологическая роль свинца очень мала, из-за слабой растворимости соединений относительно низка токсичность. Компонент физиологически активных соединений. Мутаген, терратоген (Еремин, 1989; Ковда, 1985; Назаров, 1980; Тойкка, 1981; Cierber et al., 1980; Donnelly et al.,1990).
В ходе эколого-биохимических исследований важно учитывать и разграничивать источники поступления химического элемента в окружающую среду и техногенные источники металла (Алексеев, 1987; Ильин, 1991; Кабата-Пендиас и др, 1989; Bheemallngeswara, 1991 и др.).
Естественные источники
Первичное вместилище тяжелых металлов на планете — верхняя мантия, базальты и граниты (Ковда, 1985), поэтому естественным источником свинца для почв являются горные породы, на продуктах выветривания которых сформировался почвенный покров (Ильин, 1991; Богдановский, 1994). Осадочные породы, воды океана, живое вещество — уже вторичные резервуары, содержащие свинец (Ковда, 1985). В процессе выветривания коренных горных пород тяжелые металлы в значительной мере сохраняются в рыхлых образованиях, изменив форму и место присутствия. При этом главными носителями тяжелые металлы переходят в состав почвообразующих пород (Герасимовский, 1969; Ильин, 1991).
Почвообразующие горные породы разного гранулометрического состава по концентрации тяжелых металлов могут сильно различаться. Песчаные и супесчаные породы содержат небольшое их количество, суглинистые и глинистые - значительное (Ковда, 1985; Ильин, 1991; Ильин, 2002; Лупинович, Дубиковский, 1970; Протасова и др., 1992). Из почвообразующих пород тяжелые металлы переходят в почвы в соответствии с закономерностями миграции и аккумуляции их в различных геохимических ландшафтах (Ландшафтно-геохимические основы..., 1989).
Кроме горных пород, естественными источниками свинца для основных компонентов биосферы являются термальные воды и рассолы, космическая и метеоритная пыль, вулканические газы (Ковда, 1985).
Техногенные источники
Техногенное поступление свинца в биосферу связано с разнообразными источниками (Израэль, 1984; Ильин, 1991). К важнейшим из них относятся следующие:
-карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд (Ильин, 1991). Свинец легко выплавляется из руд (при температуре 328С) и, наверное, потому давно известен человечеству. Подсчитано, что за 4 тыс. лет до 1850 г. было выплавлено примерно 70 млн т свинца и еще 130 млн т - с 1850 по 1950 г. В настоящее время мировое производство свинца составляет примерно 6 млн т (Герлах, 1985).;
- предприятия цветной и черной металлургии (Ахундова, 1989; Бондарев, 1984; Ильин, 1991; Кривоносова и др., 1989; Обухов, Ефремова, 1988; Урушадзе и др., 1989; Цемко и др., 1980; Tarn et al., 1988). Легкоплавкость, высокая коррозионная стойкость, низкая тепло- и электропроводность обусловливают его потребление в чистом виде: изготовление свинцовых аккумуляторов, покрытие кабелей (свинцовые оплетки и чехлы), внутренняя облицовка сернокислых ванн, изготовление пуль и снарядов, типографических шрифтов. По-прежнему используются свинцовые краски, особенно свинцовый сурик. По-прежнему соли (в основном бисиликат свинца) расходуются при глазуровании керамических изделий. Соли свинца применяются при производстве стеклянных изделий, высококачественного хрусталя, телевизионных трубок, флуоресцентных ламп, в качестве стабилизаторов в производстве поливинилхлорида.;
-электростанции, сжигающие уголь (Барбье, 1978; Ахундова, 1989; Бондарев, 1976; Глазовская, 1981; Зайцев и др., 1984; Израэль, 1984; Ильин, 1991; Киропатовский, 1974; Цемко и др., 1980; Lantry, Mackensie, 1979; Lick, 1972; Valerio et al., 1989);
-сжигание различных отходов (Большаков и др., 1978; Дмитриев и др., 1989; Химия тяжелых металлов..., 1985; Cesmebasi et al., 1988); -металлообрабатывающие предприятия (Алексеев, 1987; Ильин, 1991; Матвеев и др., 1985,1988; Прохорова и др., 1989);
Район работ
Районом исследования явились г. Уссурийск и Уссурийский район, которые находятся на Приханкайской низменности, вытянутой в северовосточном направлении (рис. 1). К востоку от равнины расположена горная система Сихотэ-Алинь. Площадь Уссурийского района составляет: общая площадь — 362553, 0 га втом числе г. Уссурийск— 16588,0 га
Уссурийский район - 345965,0 га
В городе и районе функционируют 27 промышленных и 14 сельскохозяйственных предприятия.
Рельеф. В южной части территории местность среднегорная, понижаясь к северо-востоку, переходит в открытую холмисто-увалистую, а по долине реки Раздольная - в равнинную (Ивашинников, 1990).
Хребты гор платообразные, шириной 100-800 м. Склоны большей частью крутые (20-30, иногда 45), изрезанные глубокими (50-250 м) и узкими долинами рек (Ивашинников, 1990).
Климатические условия. Климат исследуемого района муссонный с ярко выраженной континентальностью.
Благодаря мусонному характеру циркуляции радиационный режим исследуемого района отличается рядом особенностей по сравнению с режимом остальной территории России (Ларенцева, 1990).
По данным НИИ Тимирязевский в данной местности преобладают южные ветра (49% в год), очень мало дует западных (5%), восточных и юго-восточных (по 3%) ветров (рис. 2).
Повторяемость направления ветра и штилей в Уссурийском районе /данные по ст. Тимирязевский за 80 лет/
Количество выпадающих осадков на Приханкайской равнине - 500-650 мм. Из годового количества осадков на холодный период приходится примерно 10-20%, а на теплый — до 80% годовой суммы осадков. Минимум осадков на всей территории приходится на январь - февраль. Максимум осадков почти на всей территории в среднем приходится на август. (Свинухов и др. 1993 ).
Географически город расположен в котловане, окружен сопками, что ухудшает условия рассеивания, способствует образованию зоны температурных инверсий, когда зимой загрязнения «прижимаются к земле», особенно в период установления восточно-сибирского антициклона (декабрь, январь).
Почвы. В целом в почвенном покрове Уссурийского района выделено несколько типов почв: буро-подзолистые, горно-лесные бурые оподзоленные, лугово-бурые оподзоленные (Иванов, 1964) и техногенные почвы (нарушенные антропогенно) (Строганова, 1997).
Растительность. Уссурийск и Уссурийский район по характеру растительности подразделяется на лесную территорию, куда входят все горные районы и безлесную - Суйфуно-Ханкайско-Уссурийскую равнину.
В пределах Суйфуно-Ханкайской равнины широко распространены злаково-разнотравные луга с элементами остепнения.
Лесная растительность занимает в основном небольшие возвышения и отдельные сопочки и представлена редкостойными и низкорослыми порослевыми зарослями дуба монгольского, березы черной с леспедецей и лещиной (Пономарчук, 1990).
Современный уровень содержания свинца в разных типах почв Уссурийского района
Рассматривая зависимость содержания свинца от типа почв, исследовали буро-подзолистые, горно-лесные бурые оподзоленные, лугово-бурые оподзоленные и техногенные почвы (нарушенные антропогенно).
Составлялась объединенная проба и определялся средний уровень содержания свинца в почвах Уссурийского района не подверженных антропогенному загрязнению.
Диапазоны концентраций свинца в почвах Уссурийского района (мг/кг сухой массы) колеблется от 21,9 до 288,9 мг/кг.
Данные таблицы 9 свидетельствуют о том, что накопление свинца разными типами почв района исследований имеет свои особенности. Локализация горнолесных бурых оподзоленных почв связана с наиболее благоприятными участками — уровень техногенной нагрузки относительно невелик. В техногенных почвогрунтах концентрация свинца максимальна. Буро-подзолистые почвы накапливают более значительные количества свинца, по сравнению с лугово-бурыми оподзоленные почвами, хотя и те и другие встречаются в районах, испытывающих повышенную техногенную нагрузку. Сравнивая свойства этих двух типов почв (таблица 6) заметны различия в мощности гумуса, кислотности и структуре почв. Следовательно, названные свойства могут влиять на накопление свинца.
Изучали накопление потенциально подвижных (кислоторастворимых, 1 НЬЮз) форм свинца в грунтах Уссурийского района. Степень подвижности свинца определяли как процентное содержание кислоторастворимых форм металла по отношению к его валовому содержанию в почве.
Было установлено, что максимальной подвижностью свинец обладает в техногенных почвах, лугово-бурых оподзоленных почвах. Наименьшая подвижность свинца обнаружилась в горно-лесных бурых оподзоленных почвах. Несмотря на то, что буро-подзолистые почвы накапливают более значительные количества свинца, в лугово-бурых оподзоленных почвах его подвижность больше, следовательно, выше доступность для растений.
Таким образом, на уровень накопления свинца в почве существенное влияние оказывают удаленность почв от источника загрязнения, тип почвы. На территории Уссурийского района по уменьшению степени загрязненности почвы распределяются в следующей последовательности: техногенные почвы буро-подзолистые горно-лесные бурые оподзоленные лугово-бурые оподзоленные и луговые глеевые.
Для оценки состояния почв Уссурийского района по загрязненности свинцом, определили техническую составляющую свинца в почвах. Пользовались методикой расчета коэффициента техногенности (Кт) и коэффициента концентрации (Кс). Согласно методики, предложенной Кадацким В.Б. (Кадацкий,2001), (Кт) — отношение активной формы к инертной) позволил выявить закономерную зависимость величины Кт от степени антропогенного воздействия. По общепринятому коэффициенту концентрации (Кс - отношение валового содержания элемента в исследуемом объекте к его среднему региональному содержанию) такая зависимость просматривается только при значительной степени загрязнения. Для выделения техногенной природной составляющей в общем содержании свинца осуществляется прямым путем, без сравнения с некими фоновыми концентрациями. При этом наблюдается корреляция между Кт и Кс (в нашем случае коэффициент корреляции равен 0,97). Как установлено детальными исследованиями, при техногенной трансформированное почв значения их больше единицы, и чем выше степень загрязнения, тем больше значения коэффициентов.
