Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Биогеохимия тяжелых металлов в городских ландшафтах 10
1.1. Источники поступления тяжелых металлов в растениях 10
1.1.1. Специфика атмосферных выпадений городов 10
1.1.2. Транслокация из почв 14
1.1.3. Пространственное распределение тяжелых металлов в воздухе и в почвах городов 20
1.2. Механизмы поглощения тяжелых металлов растениями 20
1.2.1. Корневое поглощение 20
1.2.2. Фолиарное поглощение 21
1.2.3. Соотношение корневого и листового поглощения в условиях города 22
1.2.4. Физиологические барьеры поглощения 23
1.3. Факторы, контролирующие поглощение тяжелых металлов растениями 25
1.3.1. Физиологические и систематический факторы накопления тяжелых металлов растениями 25
1.3.2. Влияние ландшафтных факторов на поглощение тяжелых металлов растениями городских ландшафтов 28
1.3.3. Влияние взаимодействия элементов на их поглощение растениями 29
1.3.4. Биогеохимические показатели связи микроэлементного состава растений с внешней средой 32
1.4. Оценка загрязнения и состояния растений 34
1.4.1. Методы лабораторного анализа растительных образцов 34
1.4.2. Показатели, характеризующие загрязнение растений тяжелыми металлами 35
1.4.3. Показатели состояния и функционирования растительного организма 39
1.4.4. Фитотоксичность тяжелых металлов 40
Глава 2. Объекты и методы исследования 45
2.1. Характеристика территории юго-западного административного округа г. Москвы 45
2.1.1. Краткое физико-географическое описание 45
2.1.2. Источники загрязнения 47
2.1.3. Состояние атмосферного воздуха и техногенная трансформация почв 48
2.1.4. Характеристика растительного покрова 50
2.2. Характеристика территории центральной части г. Кито 52
2.2.1. Краткое физико-географическое описание 52
2.2.2. Источники загрязнения 54
2.2.3. Состояние атмосферного воздуха 55
2.2.4. Характеристика растительного покрова 56
2.3. Систематическое положение юго-западного административного округа г. Москвы и центральной части г. Кито в геохимической классификации городов и городских ландшафтов 57
2.4. Методы исследования 58
2.4.1. Методика пробоотбора 58
2.4.2. Химико-аналитические работы 60
2.4.3. Математические методы обработки результатов 65
Глава 3. Эколого-геохимическая оценка состояния древесной растительности на территории юго-западного административного округа г. Москвы 71
3.1. Ландшафтные различия в накоплении тяжелых металлов древесной растительностью 71
3.1.1. Природные ландшафты 71
3.1.2. Парково-рекреационные ландшафты 75
3.1.3. Селитебно-транспортные ландшафты 78
3.1.4. Изменения в содержании тяжелых металлов при увеличении антропогенной нагрузки 88
3.2. Динамика накопления тяжелых металлов за вегетационный период 90
3.3. Видовая специфика поглощения тяжелых металлов 94
3.4. Роль антропогенных факторов в варьировании содержаний тяжелых металлов в древесной растительности селитебно-транспортных ландшафтов 97
3.5 Выводы 105
Глава 4. Эколого-геохимическая оценка состояния древесной растительности центральной части г.Кито 108
4.1. Оценка интенсивности поступления тяжелых металлов в составе аэрального потока 108
4.2. Ландшафтные различия в накоплении тяжелых металлов древесной растительностью 110
4.1.1. Парково-рекреационные ландшафты 110
4.1.2. Селитебно-транспортные ландшафты 114
4.2. Видовая специфика поглощения тяжелых металлов 121
4.3. Выводы 124
Глава 5. Эколого-геохимические особенности состояния древесной растительности гг. Москвы и Кито 126
5.7. Сравнительная характеристика природных условий и техногенных факторов 126
5.2. Сходства и различия в накоплении тяжелых металлов древесными растениями ландшафтов гг. Москвы и Кито 127
5.3. Особенности поведения тяжелых металлов при увеличении антропогенной нагрузки 131
5.4. Выводы 134
Заключение 136
Литература 139
Приложения 147
- Специфика атмосферных выпадений городов
- Показатели, характеризующие загрязнение растений тяжелыми металлами
- Динамика накопления тяжелых металлов за вегетационный период
- Видовая специфика поглощения тяжелых металлов
Введение к работе
Актуальность темы. Растения в городах выполняют разнообразные функции. Они влияют на микроклиматические характеристики городской среды, снижают шумовую нагрузку, участвуют в формировании химического состава воздуха: биотрансформируют и рассеивают загрязняющие вещества, обогащают воздух кислородом. С другой стороны, растительный покров городов находится под воздействием огромного числа поллютантов, среди которых особое место занимают тяжелые металлы (ТМ) (Экология..., 2004). Уже сейчас такие крупные города, как Москва, по интенсивности загрязнения и площади аномалий загрязняющих веществ представляют собой техногенные геохимические и биогеохимические провинции. Опасность их избыточного поступления связана с нарушением важных физиологических и биохимических процессов в растительном организме, в которых ТМ принимают непосредственное участие (Генкель, 1975; Гэлстон и др., 1983; Двораковский, 1983; Микроэлементы..., 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Добровольский, 1998; Кириллов, Кокин, 1998).
Для определения допустимого уровня техногенной нагрузки на урбосистемы в настоящее время используется методология критических нагрузок. Она предполагает оценку того максимального поступления загрязняющих веществ, которое не сопровождается необратимыми изменениями в биогеохимической структуре, биоразнообразии и продуктивности экосистем в течение длительного времени (Башкин и др., 2004). Так как нарушения в биогеохимической структуре предшествуют появлению морфологических изменений, они являются основой для ранней диагностики стрессового состояния городской растительности.
Особенностям накопления ТМ в растениях техногенных ландшафтов
посвящены многие экспериментальные исследования, среди которых можно отметить
работы Ю.В. Алексеева, Н.В. Алексеевой-Поповой, В.А. Алексеенко,
П.В. Елпатьевского и B.C. Аржановой, В.Н. Башкина, М.А. Глазовской, В.В. Добровольского, В.Б. Ильина, А. Кабаты-Пендиас и X. Пендиаса,
А.И. Перельмана, Н.С. Касимова, Е.М. Никифоровой, А.И. Обухова, Т.А. Парибок, Б.А. Ревича, Ю.Е. Саета, Р.С. Смирновой, А.К. Фролова и многих др. В них прослежены изменения микроэлементного состава тканей различных видов растений на урбанизированных территориях и определено суммарное количество ТМ, перехваченных растениями. Гораздо меньше работ касается фракций ТМ, метаболически значимых и прочно связанных растениями в различные фазы вегетации. Требуют дальнейшего изучения и количественной оценки реакции растений городских ландшафтов на рост концентраций ТМ в сопредельных средах: в атмосфере и в почве.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - изучить микроэлементный состав листьев древесных растений в городских ландшафтах и его пространственно-временную изменчивость при различных сочетаниях природных и антропогенных факторов на примере гг. Москвы и Кито (Эквадор).
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
Анализ и систематизация современных представлений о биогеохимии ТМ в городских ландшафтах; оценка существующих методов изучения микроэлементного состава растительности;
Количественное определение общего содержания и прочно связанных форм Си, Zn, Со, Ni, Fe, Mn, Cd, Pb, Sr в листьях наиболее распространенных древесных пород на территории гг. Москвы и Кито.
Оценка степени техногенной трансформации микроэлементного состава древесной растительности парково-рекреационных (ПРЛ) и селитебно-транспортных (СТЛ) ландшафтов в течение вегетационного периода.
Определение видовой специфики накопления химических элементов листьями древесных пород.
Изучение сезонной динамики накопления ТМ листьями деревьев г. Москвы.
Выяснение роли антропогенных факторов, влияющих на величину корневого и фолиарного поглощения ТМ, в пространственно-временной вариабельности содержаний металлов в листьях деревьев.
Исходные материалы и методы исследований. Полевые материалы были собраны автором в 2000 г. в г. Москве и 2002 г. в г. Кито. В основу диссертационной работы были положены результаты химических анализов 182 смешанных проб (1006
элементоопределений) листьев древесной растительности ландшафтов гг. Москвы и Кито. Содержание Си, Zn, Со, Ni, Fe, Mn, Cd, Pb, Sr в листьях растений определялось с помощью рентгенофлуоресцентного и атомно-абсорбционного количественных спектральных анализов в лаборатории анализа минерального вещества ИГЕМ РАН г. Москвы и аналитической лаборатории Управления по охране окружающей среды г. Кито при участии автора.
Анализ данных включал расчет коэффициентов концентрации и рассеяния, построение геохимических спектров и рядов накопления элементов, а также статистическую обработку данных с использованием методов многомерного анализа: ранговой корреляции для выявления линейных трендов, кластерного и регрессионных деревьев.
Научная новизна работы. При анализе существующих биогеохимических методов изучения растений выделены три группы биогеохимических показателей, которые характеризуют связь микроэлементного состава растений с окружающей средой, их загрязнение и состояние. Показана целесообразность дополнения традиционных биогеохимических показателей результатами многомерного анализа.
Получены данные о суммарном содержании металлов и их прочно связанных формах в листьях тополя и бузины г. Кито. На основе данных о прочно связанных формах ТМ выявлены ландшафтные, видовые и сезонные различия в накоплении элементов листьями древесных растений гг. Москвы и Кито. Дана оценка состояния древесных растений в парково-рекреационных и селитебно-транспортных зонах городов в зависимости от абсолютных содержаний прочно связанных форм ТМ и отношений Fe/Mn и Pb/Mn.
Исследована и количественно описана сложная картина связей и взаимодействий в системе «растение - окружающая среда» урбанизированных территорий. С использованием традиционных биогеохимических показателей и методов многомерного анализа выявлены ассоциации металлов в листьях наиболее распространенных древесных пород, определены взаимосвязи между содержанием ТМ в листьях и комплексом антропогенных факторов, объясняющие пространственное распределение ТМ в листьях деревьев, оценена значимость этих факторов. Установлены геохимические особенности аэрального потока в г. Кито.
Выявлены общие черты и различия в накоплении ТМ листьями древесных
растений гг. Москвы и Кито, обусловленные контрастностью естественных и антропогенных факторов в этих городах.
Практическая значимость работы. Выполненные биогеохимические исследования древесной растительности городов представляют интерес для изучения закономерностей биогеохимической дифференциации живого вещества и биогеохимического районирования территорий. Полученные результаты позволяют прогнозировать содержание ТМ в городской растительности в зависимости от уровня техногенной нагрузки и комплекса антропогенных факторов. Они могут содействовать принятию оптимальных решений при видовом подборе и определении пространственной структуры озеленения городов. Опыт применения методов математического анализа может оказаться полезным при обосновании мероприятий и выборе оптимальной схемы изучения и охраны окружающей среды в Москве, Кито и других городах.
Основные положения, выносимые на защиту.
Ведущим фактором, определяющим содержание ТМ в листьях деревьев, является фаза вегетации. Ассоциации ТМ, формирующиеся в листьях в начале вегетации, обусловлены физиологическими особенностями их поглощения из почвы и ионными характеристиками элементов. В конце вегетации состав ассоциаций изменяется под воздействием аэральной нагрузки. При этом для Мп, Си, Sr и Fe характерно увеличение содержания к концу вегетации, а для Со - уменьшение. Сезонная динамика остальных элементов у каждого вида индивидуальна.
Ландшафтные различия в накоплении элементов растениями связаны с фазой вегетации. В начале вегетации при переходе от ПРЛ к СТЛ г. Москвы в листьях деревьев увеличивается содержание Со, Си, Fe, Zn и уменьшается - Мп, Ni, Pb; в конце вегетации концентрируется Fe и рассеивается Си, Мп. В г. Кито характерная для конца вегетации картина наблюдается в засушливый период. Рост антропогенной нагрузки изменяет последовательность Zn, Fe, Мп в рядах накопления.
В аккумуляции ТМ растениями городских ландшафтов проявляются их видовые особенности. Так, в листьях тополя отмечается более интенсивная аккумуляция Zn и Со, а в листьях липы - Мп. С ростом антропогенной нагрузки видовые различия уменьшаются для всех элементов и для всех видов растений.
4. Содержание ТМ в листьях деревьев зависит от ряда антропогенных факторов,
приоритетность которых для каждого металла специфична. Для большинства элементов наиболее важным фактором является транспортная нагрузка. С увеличением транспортной нагрузки содержание Sr, Pb увеличивается, а Мп -уменьшается. Менее значимы загрязнение почвы и наличие механических барьеров. Исключение составляет Zn, для которого ведущим фактором является уровень загрязнения почв.
5. Сбалансированное функционирование растения характеризуют следующие парагенетические ассоциации в отмытых листьях растений: (Со, Ni), (Cd, Со), (Zn, Ni), (Fe, Zn), (Mn, Ni), (Pb, Cd, Mn), (Cu, Ni). Антропогенная нагрузка вызывает диспропорции в соотношениях Fe/Mn и РЬ/Мп и снижение жизнеспособности растений городских ландшафтов. При этом тополь по сравнению с липой и бузиной является более устойчивым видом.
Апробация работы. Отдельные разделы диссертации докладывались, обсуждались и опубликованы в трудах Всероссийской конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Москва, РУДН, 1999, 2003, 2004), конференции на иностранных языках «Экология на рубеже веков» (Москва, РУДН, 2002), III Международного совещания «Геохимия биосферы» (Новороссийск, 2001), 4-ой Российской Школы «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Москва, ГЕОХИ РАН, 2003), Международной Школы «Современные методы эколого-геохимической оценки состояния и изменений окружающей среды» (Новороссийск, 2003), III Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2004), а также на межкафедральных семинарах экологического факультета Российского университета дружбы народов (Москва, 2001,2003).
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доценту кафедры геоэкологии РУДН к.г.н. М.Г. Макаровой, ведущему научному сотруднику кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ д.г.н. Н.Е. Кошелевой, а также сотрудникам лаборатории анализа минерального вещества ИГЕМ РАН и аналитической лаборатории Управления по охране окружающей природной среды г. Кито за внимание, ценные советы и помощь при выполнении работы.
Специфика атмосферных выпадений городов
Наряду с отработавшими газами в атмосферу, особенно в летний период, поступает значительное количество дорожной пыли от движущегося автотранспорта. Пыль, поднимаемая с дорожного полотна, содержит широкий спектр ТМ, попадающих на него при истирании движущихся частей и механизмов автомобилей. В их состав, наряду с железом, входят легирующие металлы стали (Mn, Cr, Ni, Со, Мо), цветные металлы (Си, Ni, Zn, Sn, А1), пластмассы, краска, содержащая целый ряд химических элементов (Сг, Zn, Со, Cd, В і, Ті, Sb), а также компоненты дорожного покрытия (цемент, асфальтовая крошка). Основной частью автомобиля, подвергающейся интенсивному истиранию, являются автопокрышки. Резиновая пыль содержит Zn и является основным источником его поступления в окружающую среду (Оценка..., 2000).
В фоновых условиях почва является основным источником поступления ТМ в растения. Почвы природных ландшафтов наследуют микроэлементный состав исходных пород, который значительно варьирует (табл.2). Высвобождающиеся в результате выветривания ионы металлов активно сорбируются различными компонентами почв: 1) оксидами (водными, аморфными), главным образом Fe и Мп и в гораздо меньшей степени А1 и Si; 2) органическим веществом и живыми организмами; 3) глинами; 4) карбонатами, фосфатами, сульфидами и основными солями.
На процесс поглощения ТМ растениями почва влияет двояким образом. С одной стороны, сорбция почвами ТМ снижает количество поступающих элементов в растения. С другой стороны, аккумуляция сорбированных элементов в верхних горизонтах, т.е. в зоне наибольшего распространения корней, способствует их поглощению и большему накоплению в растениях, чем при свободной миграции ТМ в более глубокие горизонты почвы. Этот процесс биологического обогащения поверхностного горизонта почвы характерен для Си, РЬ и Zn (Рэуце, Кырстя, 1986).
Глинистые минералы, водные оксиды Fe, Мп, А1 и органическое вещество считаются наиболее важными группами, которые участвуют и конкурируют между собой в процессах сорбции ТМ (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). По данным Н.Г. Зырина с соавт. (1979), Zn ассоциируется в почвах природных ландшафтов главным образом с водными оксидами Fe и А1 - 14-38% от общего содержания и с глинистыми минералами - 24-63%. При выветривании Ni осаждается преимущественно оксидами Fe и Мп (Кошелева и др., 2002). В почвах Англии около 30% от валового содержания Си связано с органическим веществом и 15% адсорбировано гидроксидами Fe и Мп (Alloway, 1995). Основные компоненты почвы, связывающие РЬ, - это карбонаты, глинистые минералы, оксиды Fe и Мп, а также гумус (Воробьева и др., 1983). По Тайлору и Маккензи (цит. по Alloway, 1995), до 79% минеральных форм Со входит в состав или ассоциировано с оксидами Мп.
Обычно количество легкоподвижных, доступных растениям форм ТМ в почвах природных ландшафтов невелико и составляет в среднем 5-10% (Экогеохимия ..., 1995). Оно определяется их валовым содержанием и существенно зависит от реакции среды, гранулометрического и минералогического состава почвы, количества гумуса и окислительно-восстановительных условий. Почвам с щелочной реакцией среды и повышенным содержанием глинистых минералов, карбоната кальция и органического вещества свойственна высокая поглотительная способность по отношению к ТМ; такие почвы или полностью освобождают растения от контакта с ТМ, или делают эти контакты менее опасными. Наиболее доступны растениям те элементы, которые адсорбированы на глинистых минералах (в особенности на монтмориллоните и иллите), тогда как фиксированные на оксидах оказываются менее доступными (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1995; Мотузова, 1999).
В работе Н.Е. Кошелевой с соавт. (2002) подробно исследована роль различных компонентов почв, контролирующих подвижность ТМ в фоновых почвах смешанных лесов. Установлено, что между валовыми и подвижными (в вытяжке 1н НС1) формами Мп и Ni существует положительная связь, для Си и Со она отрицательна, у РЬ и Zn - не выявлена. Органическое вещество определяет поведение Мп, Си, РЬ. Извлекаемые НС1 соединения Fe и Мп способствуют накоплению подвижных форм большинства ТМ. В восстановительной среде Zn более, а Мп, Си, Pb, Ni - менее подвижны, чем в окислительной. В щелочной обстановке подвижность Zn, Pb, Ni, Со снижается, а Мп - возрастает. Как правило, из кислых почв ТМ поступают в растения в значительно больших количествах, чем из почв слабощелочных, нейтральных или слабокислых (Ильин, Степанова, 1980).
Физико-химические свойства почв городских ландшафтов сильно отличаются от их природных аналогов. Наиболее важными изменениями городских почв таежной зоны являются: подщелачивание, рост содержания гумуса и увеличение емкости поглощения. Причинами подщелачивания могут служить осаждение строительной пыли, содержащей карбонаты кальция и магния (Никифорова, Лазукова, 1995), а также попадание в почву с поверхностным стоком хлоридов кальция, натрия и других солей, которыми посыпают тротуары и дороги зимой (Чернышенко, 2001). Так, для насыпных почв газонов и парков Москвы характерна нейтральная и слабощелочная реакция среды (рН 7,3-7,9), а в почвах краевых частей газонов значения рН достигают 8-9 (Лепнева, Обухов, 1988).
Показатели, характеризующие загрязнение растений тяжелыми металлами
Для биогеохимической оценки состояния растительности городских ландшафтов используют различные органы растений: почки, листья, побеги, корни, кору и т.д. Наиболее частый выбор листьев в качестве объекта исследования объясняется, во-первых, тем, что ассимилирующие вегетативные органы по сравнению с репродуктивными гораздо полнее отражают изменения геохимической ситуации окружающей среды, поскольку состав репродуктивных органов контролируется растением наиболее строго, благодаря механизму разобщенности ксилемного и флоэмного потоков вещества (Ильин, 1977; Ильин и др., 1980, цит. по Елпатьевскому, 1990). Во-вторых, листья - наиболее высокозольные органы растений, и для них характерны контрастные изменения элементного состава, так как химический состав листьев городских ладшафтов формируется в результате процессов метаболизма, связанных с системой «почва-растение-атмосферный воздух». По этой причине именно в мобильных, ежегодно обновляемых ассимилирующих органах проявляются многие особенности состава и трансформации процессов метаболизма растений при изменении эколого-геохимической обстановки города.
Анализ многочисленных работ по биогеохимии ТМ в техногенных ландшафтах с методической точки зрения позволил выделить три способа изучения растительных образцов. Это химический анализ неотмытого и отмытого листового материала, а также смывов с его поверхности.
В большинстве работ содержание ТМ определяется в неотмытых листьях растений. Оно характеризует суммарную картину аккумуляции элементов растением - как живого организма и как планшета-накопителя. Это затрудняет определение роли растения в миграции ТМ и оценку его состояния по геохимическим показателям: концентрации элемента, его месту в ряду накопления, отношению концентраций элементов, их ассоциациям и др. Как правило, результаты анализа неотмытых листьев используются исследователями для фитоиндикации загрязнения городских ландшафтов по сравнению с их природными аналогами. Однако следует внимательно относиться к выбору растений на роль индикатора. Наилучшим индикатором является чувствительное растение, способное накапливать металл, но не гипераккумулятор. На накопление металлов фитоиндикаторами оказывают влияние многие природные и антропогенные факторы. Поэтому для оценки состояния городских ландшафтов в целом недостаточно использовать лишь один какой-либо индикатор. Наиболее информативные данные по фитоиндикации можно получить при помощи многофункционального анализа (листья, корни, почва) (Markert, 1993; Кабата-Пендиас, 2001).
Анализ отмытых листьев растений характеризует содержание ТМ, прочнофиксируемых в листовой ткани. Оно позволяет наиболее полно и достоверно охарактеризовать накопление ТМ в растении при разной антропогенной нагрузке, оценить ее влияние на жизнеспособность организма, а также выявить сезонную и видовую специфику поглощения. Однако таких работ, проводимых в условиях разных функциональных зон городов, практически нет. Среди имеющихся публикаций следует отметить работы П.В.Елпатьевского и В.С.Аржановой (1990, 1993), в которых подробно изучено поведение ТМ в листьях дуба и березы в течение вегетации в регионально-фоновых условиях и в зонах с умеренным и сильным аэротехногенным воздействием.
Анализ связей содержания ТМ в отмытых листьях растений с их содержанием в других средах позволяет выявить пути поступления металлов в растения. Так, корреляционный анализ содержаний металлов в отмытых листьях с содержаниями в почве валовых и подвижных форм элементов, а также весовыми количествами пыли, полученными при смывах с листьев, позволил установить два способа поступления загрязнителей в вегетативные органы растений национального парка «Лосиный остров»: преимущественное заимствование их из почв при наличии высокого содержания их подвижных форм (Zn, Mn, РЬ, вероятно Sr) и прямое поглощение листьями из выпадающей на ее поверхность пыли (Со, Cr, Ni, V, а также, скорее всего, Mo, Ag, Sn) (Оценка..., 2000).
Методика анализа смывов с листьев, широко используемая в работах П.В. Елпатьевского и B.C. Аржановой (1990, 1993), позволяет получить информацию о поступлении ТМ из аэрального потока.
К показателям, характеризующим загрязнение растений ТМ, относятся концентрация элементов, ряды накопления, коэффициенты концентрации и рассеяния, суммарный показатель загрязнения, техногенные ассоциации ТМ (табл.4). Описание большинства их этих показателей приводится в работе И.А. Авессаломовой (1987).
В зависимости от разного уровня техногенной нагрузки диапазон концентраций ТМ даже в одном изучаемом органе растения довольно широк. Это подтверждают обобщенные нами данные (табл.6) по содержанию ТМ в листьях тополя и липы в течение вегетационного периода в различных природных и городских ландшафтах (Парибок и др., 1981, 1982, 1983; Глазовская, 1983; Impens, 1987; Обухов, Лепнева, 1989; Никифорова, Лазукова, 1995; Turski et al., 1992; Никифорова и др., 1995; Tzvetkova, Kolarov, 1996; Фролов, 1998; Гиниятулин и др., 1998; Состояние..., 2001).
В коллективной работе авторов «Экогеохимия городских ландшафтов» (1995) подробно рассматривается связь концентраций ТМ в растениях с различными функциональными зонами городов. Так, для Перовского района Москвы наибольшие содержания Fe и Pb в листьях и ветвях тополя и липы отмечаются в промышленной и транспортной зонах. Для селитебной зоны характерно накопление Zn, Pb, Ni, Cr, Cs, Rb. Концентрация Mn в растениях всех трех функциональных зон низкая, что указывает на высокий техногенный пресс на эти участки (Никифорова, Лазукова, 1995). В Новгороде наибольшее содержание металлов также было установлено вдоль крупных автомагистралей, транспортных развязок и на газонах внутренних дворов некоторых жилых кварталов, наименьшее - в рекреационной зоне (Никифорова и др., 1995).
Тяжелые металлы в рядах накопления по абсолютному содержанию в растительном веществе делят на четыре группы: элементы повышенной концентрации - Sr, Mn, Zn, Fe; средней - Cu, Ni, Pb, Cr; НИЗКОЙ - Mo, Cd, Se, Co, Sn; очень НИЗКОЙ - Hg (ИЛЬИН, 1982). В результате интенсивной антропогенной нагрузки в рядах накопления возможен переход элементов из одной группы в другую. Так, в условиях городских ландшафтов концентрации Fe, Zn и Pb в листьях тополя и липы как в начале, так и в конце вегетации превосходили концентрации Мп (Парибок и др., 1982, 1983; Impens, 1987; Обухов, Лепнева, 1989; Никифорова, Лазукова, 1995; Никифорова и др., 1995). В пределах одной и той же группы, как правило, отмечаются более незначительные трансформации в рядах накопления.
Динамика накопления тяжелых металлов за вегетационный период
Сравнение содержаний ТМ в разные периоды вегетации в ПРЛ показало, что в листьях липы в конце вегетации больше, чем в начале содержание Си (в 11,7 раза), Mn, Sr (4,3 раза), Fe (3,3 раза), Ni (1,8 раза). Концентрации Со, Zn, РЬ к концу вегетации уменьшаются в 2,7, 2,3 и 1,4 раза соответственно. В листьях тополя в конце вегетации больше содержание Sr (в 5,8 раза), Си (3,9 раза), Fe, Mn (2-2,3 раза), Pb, Zn (1,2-1,5 раза). Концентрации Ni и Со снижаются в 2 и 1,2 раза соответственно (рис.14). Для ПРЛ проверить значимость различий не удалось, так как в каждом из парков было отобрано только по одной смешанной пробе. v
Снижение концентрации элементов в конце вегетации может быть обусловлено так называемым «эффектом разбавления», когда скорость прироста биомассы больше интенсивности накопления в ней тяжелых металлов. Среди других причин следует отметить транслокацию металлов вместе с ассимилятами из листьев в кору, камбий, корни, репродуктивные органы; их выщелачивание осадками из листьев и выделение с листовым экссудатом (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Елпатьевский, Аржанова, 1990; De Vries etal., 1997).
Подобная динамика поведения элементов в течение вегетационного периода наблюдалась в ПРЛ Санкт-Петербурга у Мп и Fe в листьях тополя и липы. У Ni в листьях тополя и у Си в листьях этих двух видов, наоборот, отмечалось снижение концентраций к концу вегетации (Парибок, 1983). Увеличение концентраций Мп и Fe к концу вегетационного периода в условиях незначительного аэротехногенного воздействия также характерно для листьев других древесных пород (Елпатьевский, 1993). Однако в этой же работе указывается на снижение содержания Си и Zn, что в случае Си противоположно нашим результатам для тополя и липы, а в случае Zn - для тополя.
Сравнение содержания элементов в начале и в конце вегетационного периода в СТЛ показало, что в листьях липы наиболее интенсивно накапливаются Fe и Sr, содержание которых к осени возрастает в 9 и 7 раз соответственно. Возрастают также концентрации Мп и Си в 4 раза. Содержание РЬ, Со и Zn осенью уменьшается в 1,7-1,8 раза, Ni практически не изменяется (рис. 15). Полученные различия статистически значимы (по t-критерию Стьюдента, Р=95%) для всех рассмотренных элементов, кроме Со, Ni и РЬ. Для тополя также характерно увеличение в 3-4 раза содержания Си, Мп, Fe, Sr, и уменьшение в 1,5-2 раза Ni, Со, РЬ. Содержание Zn практически не меняется. Полученные различия статистически значимы (по t-критерию Стьюдента, Р=95%) для всех рассмотренных элементов, кроме Zn.
Аналогичные результаты по накоплению Мп, Си и Fe в листьях тополя и липы получены в СТЛ Санкт-Петербурга, в конце вегетации здесь также увеличиваются концентрации РЬ и Ni (Парибок и др., 1981; Фролов, 1998). Исследование динамики накопления Си, РЬ и Zn в древесной растительности Алма-Аты показало, что к концу вегетационного периода содержание Си в листьях липы в городских насаждениях, как и у некоторых листопадных деревьев в природных местообитаниях, может уменьшаться, а концентрации двух последних элементов увеличиваются (Ровенская, 1990). Расхождения в результатах объясняются методикой аналитических работ: полученные нами данные характеризуют прочно связанные формы ТМ, тогда как другие исследователи определяют суммарную величину осаждения ТМ на поверхности листьев и поглощенных листовой пластинкой.
Отношения элементов, так же как и концентрации элементов, изменяются в зависимости от периода вегетации. Для величин отношений Fe/Mn и Pb/Mn в листьях обоих видов деревьев к концу вегетационного периода в ПРЛ характерно уменьшение, что связано с более интенсивным накоплением Мп. Величина отношения Fe/Mn в листьях тополя и липы снижается в 1,1 и 1,3 раза соответственно, a Pb/Mn-1,9 и 12 раз.
Таким образом, фаза вегетации оказывает значительное влияние на содержание практически всех ТМ в листьях тополя и липы. За вегетационный период как в ПРЛ, так и в СТЛ листья тополя и липы накапливают Мп, Си, Sr, Fe. Концентрации Со, Zn, РЬ в листьях липы и Со, Ni в листьях тополя к концу вегетации уменьшаются.
Анализ литературных данных по ПЛ Подмосковья (Состояние..., 2001) позволил выявить следующие видовые особенности накопления элементов. В листьях липы в конце вегетации по сравнению с листьями тополя (рис.6) наблюдаются повышенные концентрации Ni и Мп (в 4,7-4,8 раза) и более низкие - Со (9 раз), Zn (4,9 раза), Sr (1,4 раза). Содержания Си и РЬ в ПЛ в листьях тополя и липы не отличаются.
Сравнение концентраций ТМ в листьях тополя и липы в ПРЛ г. Москвы показало, что в начале вегетации тополь превосходит липу по содержанию практически всех элементов: Zn (в 9 раз), Со (2,5 раза), Си (2 раза), Ni, Sr, Fe (1,3-1,4 раза). Исключение составляет Мп, концентрация которого в листьях липы в 3 раза больше, чем в листьях тополя. Содержание РЬ в листьях этих двух видов практически не отличается.
В конце вегетации листьях тополя аккумулируют больше по сравнению с листьями липы Zn (в 17 раз), Со (6 раз), РЬ (3 раза), Sr (2 раза) и меньше - Мп (в 6 раз), Ni (2,5 раза), Си (1,4 раза). По содержанию Fe различия минимальны (табл.15). Для ПРЛ проверка на статистическую значимость не проводилась, так как было отобрано по одной смешанной пробе.
В СТЛ г. Москвы в начале вегетации тополь превосходит липу по содержанию Zn (в 6 раз), Co,Fe,Sr (2 раза), РЬ, Си, Ni (1,4-1,7 раза) (рис. 16). Концентрации Мп в этих двух видах практически не отличаются. По сравнению с ПРЛ в СТЛ сглаживаются видовые различия в содержании Zn, Со, Си, Мп и возрастают для Fe, Sr, Ni и РЬ. В работе Т.А. Парибок с соавт. (1983), проведенной в СТЛ Санкт-Петербурга, так же отмечается более интенсивная аккумуляция в начале вегетации Fe, Си и Ni ЛИСТЬЯМИ тополя по сравнению с листьями липы. В этих же городских ландшафтах, в отличие от наших результатов, тополь активнее липы накапливает Мп, а липа - РЬ (Парибок и др., 1981; Парибок и др., 1983).
В конце вегетации в СТЛ листья тополя по сравнению с липой содержат больше Zn (в 10 раз), Со (2 раза). Липа отличается повышенным накоплением Мп и Fe (в 1,3-1,4 раза) (рис.16). По содержанию Си, Ni, РЬ и Sr виды между собой отличаются незначительно. Полученные различия статистически значимы (по t-критерию Стьюдента, Р=95%) для Zn, Fe, Со, Ni, Sr весной, и Zn и Со осенью в СТЛ. По сравнению с ПЛ и ПРЛ в конце вегетации видовые особенности накопления изменяются следующим образом. По сравнению с ПРЛ уменьшаются видовые отличия в содержании всех элементов, за исключением Fe. По сравнению с ПЛ для Мп и Ni в листьях липы и для Со и Sr в листьях тополя отличия между видами в СТЛ становятся меньше, для Zn и РЬ в листьях липы - больше. Межвидовые отличия в содержании Си в СТЛ такие же, как и в ПЛ.
Видовая специфика поглощения тяжелых металлов
В заключении сформулированы основные выводы работы. Обобщен опыт биогеохимических исследований и проведена систематизация современных представлений о биогеохимии ТМ в городских ландшафтах. = Определены направления исследований, связанные с выяснением закономерностей изменения, количественной оценкой микроэлементного состава растений и диагностикой их состояния при увеличении концентраций ТМ в сопредельных средах: в почвах и атмосфере. = При анализе существующих биогеохимических методов изучения растений выделены три группы показателей, которые характеризуют связь микроэлементного состава растений с окружающей средой, загрязнение растений и их состояние. = Показано, что при обработке данных, полученных в условиях города, наряду с традиционными коэффициентами целесообразно использовать методы многомерного анализа. Они облегчают интерпретацию данных, позволяют повысить достоверность результатов и улучшить их наглядность. На основе данных о прочно связанных формах Мп, Си, Ni, Со, Zn, Pb, Cd, Fe, Sr выявлены ландшафтные, видовые и сезонные различия в накоплении элементов листьями древесных растений гг. Москвы и Кито. = Состав групп ТМ, выделенных по характеру накопления в разных ландшафтных условиях, а также интенсивность аккумуляции и деконцентрации элементов в этих группах отличаются в разные фазы вегетации растения, зависят от его видовой принадлежности и величины техногенной нагрузки. Так, в Москве в начале вегетации при переходе от ПРЛ к СТЛ в листьях деревьев увеличивается содержание Со, Си, Fe, Zn и уменьшается - Мп, Ni, Pb. В конце вегетации возрастает концентрация Fe и 137 снижается - Си, Мп. Для остальных элементов накопление видоспецифично. В Кито, где уровни нагрузки в ПРЛ и СТЛ не столь контрастны, концентрации ТМ в них отличаются менее чем в 2 раза, за исключением Мп. Для обоих городов основные изменения в рядах накопления элементов растениями при переходе от ПРЛ к СТЛ связаны с последовательностью Zn, Fe, Мп. = В накоплении ТМ листьями растений городских ландшафтов проявляется их видовая специфика. Тополь по сравнению с липой и бузиной является более устойчивым к техногенным воздействиям видом и проявляет свои фитоиндикационные способности в отношении Zn, Со, Cd. При увеличении техногенной нагрузки видовые различия становятся менее выраженными. = На содержание ТМ в листьях растений существенное влияние оказывает фаза вегетации. Так, в ландшафтах г. Москвы к концу вегетации в листьях растений возрастает содержание Мп, Си, Sr, Fe и уменьшается Со. Сезонная динамика остальных элементов определяется видом растения. 3. Установлено, что влияние роста антропогенной нагрузки на жизнеспособность растения выявляется более четко на уровне отношений элементов. Так, при переходе от ПРЛ к СТЛ, а в г. Москве и от периферии к центру наблюдается увеличение отношений Fe/Mn, Pb/Mn, что свидетельствует об ухудшении состояния растений. При этом концентрации ТМ в листьях деревьев городских ландшафтов Москвы и Кито по их способности обеспечить физиологические функции растения в большинстве случаев можно охарактеризовать как нормальные. Исследованы и количественно описаны связи и взаимодействия в системе «растение - окружающая среда» городских ландшафтов. = Пространственная структура загрязнения растений г. Москвы обусловлена комплексом антропогенных факторов. Набор факторов и их значимость специфичны для каждого отдельного элемента и вида растения. Наиболее значимым фактором является тип дороги, который зависит от транспортной нагрузки, менее значимы загрязнение почвы ТМ и наличие механических барьеров. = Путем сравнения отмытых и неотмытых листьев установлен 138 микроэлементный состав аэрального потока ландшафтов г. Кито: приземный слой атмосферы ПРЛ обогащен Fe, Pb, Cd, Zn; при переходе к СТЛ возрастает аэральная составляющая для Fe, Zn, Pb, Си, Со, Cd. = Состав ассоциаций ТМ в листьях деревьев наряду с химическими свойствами самих элементов определяется интенсивностью их поступления в составе аэрального потока и особенностями корневого поглощения растениями. На формирование ассоциаций в СТЛ г. Москвы значительное влияние оказывает интенсивное поступление ТМ с аэральным потоком, которое приводит к образованию одной полиэлементной ассоциации (Fe, Pb, Си, Со, Zn). Формирование ассоциации (Pb, Cd, Мп) в листьях растений СТЛ г. Кито объясняется особенностями корневого поглощения ТМ у растений, основанного на антагонистических и синергетических взаимоотношениях между элементами в среде роста. Установлены сходства и различия в накоплении ТМ листьями растений в городах с различным сочетанием природных и антропогенных факторов. = В связи с более интенсивным развитием промышленности и автотранспорта в г. Москве по сравнению с г. Кито в первом в формировании микроэлементного состава растений более выражено влияние техногенной нагрузки, а во втором - естественных условий. В Москве это проявляется в интенсивном накоплении растениями Fe, Zn, имеющих техногенное происхождение, а в Кито - таких элементов как Pb, Со, Cd, природное содержание которых повышено в среде роста растений. В результате этого величины отношения Fe/Mn в листьях деревьев СТЛ выше в Москве, а отношения Pb/Mn - в Кито. В рядах накопления в Москве Ni аккумулируется активнее Pb, а в Кито - наоборот. = Сравнение поведения ТМ в листьях тополя ПРЛ и СТЛ гг. Москвы и Кито выявило близкие концентрации Ni и Си, а также сходные изменения в рядах накопления для Zn, Fe, Мп. Выделена одна общая ассоциация (Со, Ni). В ПРЛ получены примерно одинаковые отношения Fe/Mn в листьях деревьев. = Видовые особенности тополя отчетливо проявляются как в условиях Москвы, так и Кито, они выражаются в более интенсивном по сравнению с другими рассмотренными видами накоплении листьями Zn и Со.
