Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 31
2.1. Природные условия района исследования 31
2.2. Характеристика объектов исследования 41
2.3. Методы исследования 50
Глава 3. ВЛИЯНИЕ НА НАСАЖДЕНИЯ ПАРКОВЫХ ЛАНДШАФТОВ 57
3.1. Характеристика почв парковых ландшафтов 57
3.2. Тяжелые металлы и их содержание в почве 69
Глава 4. ВЛИЯНИЕ НА СОСТОЯНИЕ ДРЕВЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ 86
4.1. Характеристика грунтовых вод 86
4.2. Источники загрязнения грунтовых вод 95
43. Техногенные изменения режима грунтовых вод 99
Глава 5. ПАРКОВЫХ ЛАНДШАФТОВ И ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ 106
5.1. Биолого-экологическая характеристика древесных пород... 106
5.2. Пылефильтрующая способность древесных растении ИЗ
5.3. Содержание тяжелых металлов в листьях древесных пород... 119
5.4. Биогеохимическая роль древесных растений 131
5.5. Оценка состояния древесных насаждений 137
ВЫВОДЫ 148
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 150
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 151
ПРИЛОЖЕНИЯ 180
Введение к работе
Актуальность работы. На урбанизированных территориях, испытывающих высокую техногенную нагрузку, важную роль в защите окружающей природной среды играют зеленые насаждения, поэтому их необходимо преобразовывать и сохранять с учетом функциональной роли городских насаждений.
Территория города Новочеркасска насыщена крупными промышленными предприятиями и находится под воздействием выбросов ОАО «НчГРЭС». Государственная экологическая экспертиза в своем заключении от 22.02.2000 года определила, что территория г. Новочеркасска может быть отнесена к зоне чрезвычайной экологической ситуации. Состояние окружающей природной среды в городе и в настоящее время остается неудовлетворительным. Это объясняется рядом специфических факторов, таких, как высокая концентрация промышленных предприятий в одном районе города, насыщенность движения автотранспорта на отдельных магистралях, высокая степень подтопления (в основном промышленного района города) грунтовыми водами, недостаточное количество зеленых насаждений.
С момента основания г. Новочеркасска возникла проблема его озеленения, т.к. вокруг расстилалась ковыльная степь. Зеленые насаждения на территории агломерации «город Новочеркасск» в основном являются специальными насаждениями. Они выполняют санитарно-гигиенические, микроклиматические, эстетические и рекреационные функции. Площадь озелененных территорий составляет 2639,39 га или 22,5% городской территории (Экологический вестник Дона, 2005). Количество зеленых насаждений на одного жителя г. Новочеркасска в настоящее время составляет 12,2 м2, что на 3,8 м2 меньше нормы, установленной СНиП 2.07.80 г.
Современное состояние городских зеленых насаждений на различных типах и категориях озеленения показывает высокую степень воздействия негативных антропогенных факторов, присущих урбанизированным террито-
4 риям, закономерно приводящих к ослаблению древесной растительности, преждевременному старению, поражению болезнями и вредителями и к гибели насаждений.
Сбор и систематизация информации о степени загрязнения почвы и грунтовых вод токсичными элементами и соединениями, а также реакции на них древесных растений в городских условиях являются актуальной экологической проблемой урболандшафтов.
Цель и задачи исследования. Цель исследований - изучение влияния факторов окружающей среды на состояние древесной растительности парковых ландшафтов. В связи с намеченной целью были поставлены основные задачи исследования:
Оценить экологическое состояние почв и их влияние на насаждения-парковых ландшафтов;
Определить влияние техногенных изменений режима грунтовых вод на состояние древесных насаждений парковых ландшафтов;
Оценить состояние древесных насаждений парковых ландшафтов;
Изучить биогеохимическую роль древесных растений и их воздействие на депонирующие среды;
Установить виды древесных растений, устойчивых к техногенному загрязнению.
Объекты и методы исследования. Для достижения указанной цели и решения поставленных задач в качестве объектов исследования были выбраны древесные насаждения, почвы и грунтовые воды парковых ландшафтов города Новочеркасска. На пробных площадях проводились литохимические, биогеохимические и атмохимические наблюдения, а также наблюдения за грунтовыми водами.
Основные положення, выносимые на защиту: При оценке экологического состояния почв парковых ландшафтов г. Новочеркасска установлены превышения ПДК по Cd, Ni, Си, Zn, Pb. Най-
5 большее количество превышений ПДК характерно для территории парка при ДК ОАО НПО «НЭВЗ».
Техногенное изменение режима грунтовых вод оказывает негативное влияние на древесные растения парковых ландшафтов, что выражается в увеличении процента суховершинных деревьев.
По степени снижения адсорбционной способности пылевого загрязнения исследованные виды деревьев образуют следующий ряд: Acer пе-gundo > Quercus robur > Acer platanoides >Populus alba > Tilia platyphyl-los > Fraxinus lanceolata > Ulmus iaevis > Fraxinus excelsior > Aesculus hippocastanum > Robinia pseudoacacia > Populus*sowietica pyramidalis.
По коэффициенту биогеохимической активности древесные виды образуют следующий ряд: Fraxinus excelsior = Populus*sowietica pyramidalis = Populus alba (0,4) > Aesculus hippocastanum = Quercus robur (0,3) > Acer platanoides = Tilia platyphyllos = Ulmus Iaevis = Robinia pseudoacacia (0,2) > Acer negundo = Fraxinus lanceolata (0,1).
Наиболее устойчивыми видами к техногенным нагрузкам являются: ясень зеленый и обыкновенный, тополь белый.
Научная новизна работы. Впервые были произведены комплексные многокомпонентные исследования парковых ландшафтов степной зоны, на примере г. Новочеркасска. Прослежено взаимовлияние древесных насаждений, почв и грунтовых вод. Определены видовые особенности древесных растений в отношении различных загрязнителей. Изучены корреляции в сопряженном изменении концентраций загрязняющих веществ в древесных растениях, почвах и грунтовых водах.
Практическая значимость работы. Полученные данные могут быть использованы для совершенствования подходов и методов мониторинга загрязнения древесных насаждений, почв и грунтовых вод парковых ландшафтов и сопредельных с ними территорий. Полученные материалы могут послужить основой при подборе пород для озеленения г. Новочеркасска и других урболандшафтов степной зоны.
Личный вклад автора. Работа является итогом цикла научных исследований, выполненных лично автором на кафедре экологии и лесных мелиорации Новочеркасской государственной мелиоративной академии в период с 2002 по 2006 гг.
Апробация работы. Основные положения работы в целом и отдельные ее положения обсуждались и получили одобрение на 9 конференциях: «Экологические аспекты агропромышленного комплекса» (пос. Персиановскии, 2003); Всероссийская конференция «Интеграция науки, образования и производства для развития лесного хозяйства и лесопромышленного комплекса» (Воронеж-Краснодар, 2004); «Оптимизация агроландшафтов, проблемы и перспективы развития агролесомелиорации и защитного лесоразведения» (Волгоград, 2004); Международная конференция «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2005); Всероссийская конференция «Социальное развитие России: состояние, проблемы, перспективы» (Майкоп, 2005); «Проблемы землеустройства и кадастров» (Москва, 2005); «Лесоводство и лесные мелиорации - 85 лет лесохозяй-ственному факультету» (Новочеркасск, 2005); Международная конференция «Теория и практика агролесомелиорации» (Саратов, 2005); Международная научная конференция «Экология и биология почв: проблемы диагностики и индикации» (Ростов н/Д, 2006).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ. Доля участия автора в публикациях составляет 40% (1 пл.).
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 190 страницах печатного текста, состоит из введения, 5-ти глав, выводов, практических рекомендаций, списка литературы и приложения; содержит 39 таблиц, 33 рисунка И 10 таблиц двух приложений. Список литературы включает 255 источника, из них 24 на иностранных языках.
Автор глубоко признателен за помощь в работе научному руководителю K.C.-X.H., доценту Г.Е. Шумаковой, к.с.-х..н., проф. В.В. Засоба, д.б.н. В.В. Приваленко, Д.С.-Х.Н., доц. СИ. Колесникову, к.с.-х.н. Е.М. Антоненко.
Обзор литературы
В результате освоения человеком естественные ландшафты Ростовской области значительно видоизменены. Здесь сформированы различные классы антропогенных ландшафтов: лесной, водный, промышленный, селитебный и др. (Хрусталев, 2002). Крупными техногенными урболандшафтами Нижнего Дона являются: Ростов-на-Дону, Таганрог, Шахты, Новочеркасск, Новошах-тинск и другие (Зинченко, Арефьев, Кузнецова, Агеева, 2000).
Городские агломерации, урбанизированные районы представляют собой территории, где особенно интенсивно происходит замещение естественных биогеоценозов на урбоценозы. Урбанизированные территории являются мощными антропогенными факторами деградации природы. Вследствие огромной концентрации техногенных нагрузок в крупных городах и городских агломерациях интенсивность антропогенного воздействия превышает темпы адаптации к нему природной среды. Следовательно, необходимо обеспечить природной среде в целом и отдельным ее компонентам равновесное состояние, т.е. реабилитацию воды, воздуха, почвенно-растительного покрова, отдельных урболандшафтов и всей урбоэкосистемы в целом (Бельчинская, 2000, Шапочкин, 2003, Курбатова, 2004).
Экологи Дона отмечают, что «для области характерны все основные элементы, определяющие сильное отрицательное влияние на природу: крупные масштабы промышленного производства, высокая концентрация промышленных объектов в юго-западной и западной частях области, сложная отраслевая структура промышленности, включающая отрасли высокой вредности: горнодобывающую, металлургическую и химическую» (Хрусталев, 2002).
Комплексным изучением ландшафтов, исследованием многообразных связей, существующих между отдельными частями ландшафта (атмосфера -рельеф - воды - растительность - почвы и т.д.), занимались выдающиеся отечественные ученые. Истоки и развитие этого направления следует искать в трудах В.В. Докучаева (1948, 1949). В 50-е годы А.И. Перельман (1955) писал: «Как известно, в хозяйственной деятельности человек оказывает воздействие на отдельные части ландшафта, но так как последние находятся в тесной взаимосвязи, то, очевидно, что хозяйственная деятельность влияет не только на объект непосредственного воздействия, но и на ландшафт в целом. В результате в ландшафте происходят изменения, которые нередко имеют непредвиденные последствия». Уже тогда ученые видели труднейшую проблему «в составлении хорошо координированного плана использования природных ресурсов, основанного на комплексном изучении природы, особенно на изучении связей между отдельными составными частями ландшафта». Этим вопросам значительное внимание уделяли В.И. Вернадский (1983), Б.В.Виноградов (1964, 1998) и А.Е. Ферсман (1953). В дальнейшем продолжалось комплексное исследование экосистем, которое давало неутешительные результаты. А.И. Львович (1977) пишет: «Загрязнение воздуха, почвы и воды стало важнейшей проблемой века, которая касается не только отдельных стран, но и всей Земли в целом».
В современной урбоэкологии города и городские агломерации являются специфическим объектом эколого-геохимических исследований. Именно на этих территориях экологические проблемы приобретают особую остроту, поскольку «здесь наиболее ярко выражены два основных процесса техноге-неза - концентрирование огромных масс химических элементов и их рассеяние» (Сает, 1998).
В современном виде эколого-геохимические исследования городов и городских урболандшафтов базируются на теории и методах геохимии ландшафтов, изучающих миграцию и концентрацию химических элементов и их соединений в природных и техногенных ландшафтах в сочетании с методами и подходами геохимии окружающей среды, направленными на оценку геосфер Земли - атмосферы, гидросферы, литосферы и биосферы. Эта концепция в обобщенном виде основана на анализе депонирующих (аккумулирующих) сред - атмосферы, почв, растений, вод и других. Их химический состав достаточно точно индицирует длительное загрязнение и происходящую под его влиянием геохимическую трансформацию городской среды. Главная геохимическая особенность промышленного, транспортного и муниципального воздействия на среду города - это формирование техногенных геохимических аномалий в различных его компонентах (Курбатова, 2004).
Экологические блоки промышленного города условно делятся на три группы: источники выбросов (промышленный комплекс города, жилищно-коммунальное хозяйство города, транспорт); транзитные среды, где происходит транспортировка и частичная трансформация загрязняющих веществ (атмосфера, атмосферные выпадения: дождь, снег, пыль, временные и постоянные водотоки; поверхностные водоемы: пруды, озера, водохранилища). Загрязняющие вещества поступают сюда через открытые и закрытые коллекторы путем рассеивания через атмосферу или от складирования твердых отходов. Третья группа - это депонирующие среды, накапливающие и преобразующие продукты техногенеза: донные отложения, почвы, растения, городское население, сооружения и микроорганизмы (Таранюк, 2000).
Антропогенные процессы, влияющие на экологию городов, сопровождаются полиэлементной химизацией и металлизацией природных сред. Состояние современных технологий таково, что в большинстве видов промышленных и даже бытовых отходов концентрация химических элементов значительно превосходит природные уровни
Влияние агломерации выходит за пределы города, захватывает рекреационные зоны города и водные источники, так как загрязняющие вещества промышленных и коммунально-бытовых выбросов, стоков и отходов поступают в миграционные потоки в пригороды и даже за их пределы. Токсическое воздействие многих химических элементов, органических и других соединений очень опасно для всей биоты.
Природные условия района исследования
Геоморфологическая и ландшафтная характеристики. Природные ландшафты г. Новочеркасска находятся на юге Русской равнины и входят в состав Донецко-Южно-Ергенинской провинции, Донецкой и Нижнедонской геоморфологических областей.
Территория Новочеркасского холма расположена на восточной окраине субширотного языковидного останцевого неогенового плато. С трех сторон (севера, востока и юга) это плато ограничено поймами рек Тузлов и Ак-сай. Городская часть плато имеет форму плоской возвышенности (холма), с запада ограниченного балками Куричьей и Кундрючьей. Максимальные высотные отметки холма 102-104 м и относительное превышение около 100 метров над поймами рек, имеющих высотные отметки 2,2-3,7 м над уровнем Азовского моря. Склоны Новочеркасского холма достаточно крутые, изрезаны короткими балками и оврагами, по периферии переходят в обрывы высотой 3-8 метров в местах выхода на поверхность понтических известняков.
В пределах старой селитебной части города находятся относительно крупные балки: Заладенская, Куричья, Кундрючья, Епифановка - с более или менее выположенными и задернованными склонами (Кобилев, Лось, 1991).
Северная часть города (бывший Промышленный район) занимает левый пологий склон долины реки Тузлов, представляющей собой водораздельный участок между левыми (северными) притоками реки Тузлова - реками Грушевкой и Кадамовкой. С юга на север этот водораздел поднимается от поймы (отметки 3,5—8,0 м) до 62-65 м так, что превышения рельефа составляют 52-55 метров.
Континентальная аккумуляционно-денудационная равнина, развитая в северной части промышленного района, на юге и западе переходит в террасированную равнину рек Тузлов и Грушевка. Промышленная часть города с поселками городского типа занимает Тузлово-Грушевско-Кадамовский водораздел, полого понижающийся с уклоном 1-3 к западу и югу, в сторону пойм рек Грушевки и Тузлова. Первая надпойменная терраса имеет отметки 8-Ю м и распространена неравномерно. Вторая надпойменная терраса с отметками 16-26 м более развита и сложена просадочными лессовидными суглинками. С северо-востока на юго-запад центральная часть промышленного района пересечена пологой балкой Тангаши (Сафонов, 1987).
Геологическое строение и почвообразующие породы. Геоморфологические особенности и разнообразие рельефа города Новочеркасска определяются принадлежностью разных его районов к сложным тектоническим структурам в зоне регионального сочленения Скифской плиты со складчатым сооружением Большого Донбасса.
В тектоническом отношении территория города располагается на стыке двух крупных региональных структур герцинского возраста - Ростовского выступа Украинского шита и южной границы герцинского складчатого сооружения Большого Донбасса. Пойма реки Тузлов в городской черте совпадает и орографически обусловлена положением погребенного Тузлово-Манычского разлома, западной ветвью глубинного Манычского грабена субширотного (СЗЗ) простирания. Северный промышленный район целиком занимает южную пограничную зону складчатого сооружения Донбасса с системой погребенных надвиговых тектонических структур (Матвеево-Курганский, Персиановский надвиги).
В геологическом строении принимают участие отложения мелового, палеогенового, неогенового и четвертичного возраста. На дневную поверхность выходят отложения неогенового и четвертичного возраста, более древние отложения вскрыты единичными глубокими скважинами (Богуш, 1997).
Почвы. Естественными для большей части рассматриваемой территории являются приазовские черноземы с мощностью гумусовых горизонтов до 150 см. В настоящее время они сохранились лишь в пределах рекреационных зон. На остальной территории почвенный покров представлен техногенно преобразованными грунтами, частично затронутыми процессами почвообразования.
В соответствии с почвенно-географическим районированием описываемая территория относится к Приазово-Предкавказской провинции, для которой характерно широкое развитие в естественных условиях мицеллярно-карбонатных и сверхмощных предкавказских черноземов. Мощность гумусовых горизонтов достигает 70-100 см, содержание гумуса до 5 %. По гранулометрическому составу почвы относятся к средне -, тяжелосуглинистым и легкоглинистым черноземам, сформировавшимся на карбонатных лессовидных породах. Емкость поглощения почв равна 22-37 мг-экв, содержания обменного кальция - от 76 до 90%, суммы обменных катионов магния - от 6 до 30%, натрия - от 0,8 до 11%. Достаточное количество тепла и осадков сформировали весьма плодородные черноземы, а обогащение карбонатами за счет материнских пород способствовало созданию высоких буферных свойств. Климатический индекс биологической продуктивности (Бк) составляет 90-100 единиц в естественных условиях, а при оптимальном увлажнении - от 170 до 175. (Экология Новочеркасска, 2001).
Гумусовые горизонты почв и растительность являются основными сорбентами загрязнителей, которые поступают из воздуха за счет пылегазо-вых выбросов промышленности и обычно накапливаются в течение летнего периода. Наибольшее количество загрязняющих компонентов обнаруживается после снеготаяния и скопления опавших листьев. Эти поллютанты из листьев и биосубстрата почв при инфильтрации поверхностного стока, и осадков являются источниками загрязнения грунтовых вод.
Характеристика почв парковых ландшафтов
Согласно физико-географическому районированию Северного Кавказа исследуемая территория характеризуется следующим образом: ареал распространения североприазовских черноземов: страна Русская равнина; область Нижне-Донская, провинция Доно-Донецкая, округ Донецко-Приазовский (район Миус-Тузловский).
В соответствии с геоморфологическим районированием исследуемая территория характеризуется: страна Русская равнина; провинция Предкав-казских равнин; область Приазовская эрозионно-аккумулятивная наклонная равнина (восточная часть).
Равнины и плато Нижнего Дона и Предкавказья представляют собой молодую эпигерценскую Скифскую платформу.
Приазовская эрозионно-аккумулятивная наклонная равнина расположена к югу от Донецкого кряжа, имеет наклон с севера на юг и представляет собой восточную оконечность Приазовской низменности. Ее высоты уменьшаются от 160 м на севере до 105 м на юге. Поверхность Приазовской наклонной равнины расчленена долинами рек меридионального направления. Особенно сильно расчленена ее западная часть (Сафронов, 1987, Смагина, Кутилин, 1994).
В классификациях 30-60-х годов черноземы обыкновенные, расположенные в Северном Приазовье — черноземы североприазовские (Захаров, 1946). В настоящее время эти почвы включены в подтип черноземы обыкновенные.
По современной классификации таксономия использованных в исследовании почв следующая: черноземы обыкновенные южно-европейской фации карбонатные мощные слабогумусированные тяжелосуглинистые и легкоглинистые на желто-бурых и палево-бурых лессовидных глинах и суглинках.
Характерный признак черноземов обыкновенных южно-европейской фации — наличие карбонатов с поверхности или в пределах верхних 30 см. В гумусовом горизонте появляется обильная карбонатная плесень, а ниже белоглазка.
Гранулометрический состав черноземов обыкновенных преимущественно тяжелосуглинистый и легкоглинистый.
В минералогическом составе пылеватых фракций преобладает кварц, полевые шпаты и слюда, в составе илистой фракции — гидрослюды и сме-шаннослойные гидрослюдисто-монтмориллонитовые образования (Алещен-ко, 1973).
Данные валового состава черноземов обыкновенных и их илистой фракции свидетельствуют о равномерном распределении по профилю кремнезема, полуторных окислов и других элементов. Прослеживается накопление в верхних слоях биофильных элементов (СаО, Р205, МпО, К20).
Черноземы обыкновенные богаты валовым калием: не менее 2 % в верхних горизонтах. Количество валового фосфора в верхних горизонтах в среднем около 0,18 %. Основная часть фосфатов представлена минеральными соединениями: 55-65 % в верхних горизонтах и более 90 % в нижних.
Особую экологическую обстановку создает карбонатность черноземов обыкновенных. Содержание СаСОз в верхних горизонтах составляет около 0,5-1,0 %, а в иллювиально-десуктивном карбонатном горизонте около 12 %.
Карбонатность почвенного профиля, обилие СаС03 в нижних горизонтах обуславливает нейтральные и слабощелочные условия. В верхних горизонтах рН чернозема составляет 6,5-8,0 в зависимости от карбонатности, а в нижнем — 7,5-8,7 (Вальков, 1977).
Роль органических веществ в почвенном поглощающем комплексе исследуемых черноземов имеет подчиненное значение. Обычно на долю гумуса приходится около 25 % емкости почвенного поглощающего комплекса. Емкость обмена в верхних горизонтах достигает 40-45 мг-экв/100 г почвы. На долю кальция приходится около 80-90 % суммы поглощенных оснований.
По мощности гумусовых горизонтов среди черноземов обыкновенных южно-европейской фации встречаются среднемощные (А + АВ - 60-80 см), мощные (80-120 см), сверхмощные (более 120 см), Мощность гумусовых горизонтов североприазовских черноземов составляет 60-90 см. По содержанию гумуса в верхнем горизонте среди исследуемых черноземов встречаются слабогумусированные (менее 4 %) и редко малогумусные (4-6 %) (Колесников, 1998).
Почвообразующие породы исследуемого района представлены преимущественно карбонатными лёссовидными глинами и суглинками мощностью от 6 до 50 м флювиогляциального, аллювиального и аллювиально-делювиального происхождения. Содержание СаСОз колеблется в широких пределах (4-16%).
Гранулометрический состав этих отложений в основном тяжелосуглинистый и легкоглинистый. Преобладают фракции крупной пыли (30-54 %) и ила (35-41 %), содержание песка незначительно. Все механические элементы скоагулированы в микроагрегаты размером 0,01-1 мм, общее содержание которых составляет 65-68 %, что в значительной степени определяет высокую порозность (42-52 %), хорошие влагоемкость и водопроницаемость этих пород.
В валовом составе лёссовидных глин и суглинков при относительно высоком содержании кремнезема (56-68 %) присутствуют значительное количество алюминия (13-16 %), железа (4,4-6,7 %) и магния (1,6-2,7 %). Эти породы богаты калием (1,6-2,0 %) и фосфором (0,10-0,16 %) (Блажний и др., 1985).
