Введение к работе
Актуальность. В процессе глобального преобразования педосферы Земли все более важное значение приобретает урбанизация. Возрастающий рост городов приводит к интенсивному воздействию человека на окружающую среду как самого мегаполиса, так и обширных пространств вокруг него. Это приводит к потере устойчивости городских территорий к факторам экологического риска для всех компонентов окружающей среды: воздуха, растительности, почвы, воды и грунтов.
Особую тревогу вызывает накопление тяжелых металлов (ТМ) в почве как центрального и связующего звена биогеоценоза. Именно из почвы ТМ попадают и в биологические объекты, в первую очередь в растения. В микроколичествах большинство тяжелых металлов необходимы для нормального функционирования живых систем, в высоких же концентрациях и при их суммарном воздействии они становятся опасными загрязнителями природной среды (Виноградов Б.В., 1964; Прохорова Н.В. и др., 2011; Талашкина В.Д., Чуков С.Н., 2000).
В подавляющем большинстве случаев ТМ от источника загрязнения поступают в городские почвы через воздух. Уличная пыль служит носителем тяжелых металлов как техногенного (Zn, Pb, Cu, Ni, Cd, Cr), так и терригенного происхождения (Fe, Mn). Рассеянные в воздухе ТМ попадают на поверхность почвы и включаются в процесс миграции (Матвеев Н.М. и др., 1997, 2007; Прохорова Н.В. и др., 1998; Хазиев Ф.Х. и др., 2000), важным этапом которого (в плане экологического состояния городских территорий) является поглощение их растениями (Серегин И.В., Кожевникова А.Д. 2005; Гиниятуллин Р.Х., 1996; Коршиков И.И., 1996; Матвеев Н.М. и др., 1997, 2007; Кулагин А.Ю. и др., 2000; Кулагин А.А., 2002; Титов А.Ф.и др, 2008). Однако для большинства регионов России, где зимний период продолжается в течение 4 и более месяцев, ТМ значительный период времени пребывают в снежном покрове; в этой связи исследование снега на наличие в нем поллютантов дает возможность прогнозировать количественные и качественные параметры загрязнения тяжелыми металлами почв городских территорий. Кроме того миграция ТМ в почве зависит как от химических свойств самих металлов, так и от свойств почвы, в первую очередь физических и химических, а также от способности произрастающей растительности к ассимиляции ТМ. Все перечисленные процессы и явления нуждаются в дополнительном изучении применительно к степной зоне Урала.
За последние годы на территории Южного Урала были выполнены исследования по изучению геохимического состояния естественных и техногенных ландшафтов, особенностей урбопедогенеза, трансформации почвенного и растительного покрова в условиях городской среды и техногенного загрязнения (Боев В.М., Воляник М.Н., 1995; Блохин Е.В., 1997; Рябинина З.Н., 1999, 2003; Чибилев А.А., 2005; Русанов А.М., 2006; Русанов А. М. и др., 2006; Климентьев А.И., Ложкин И.В., Трубин А.П. 2006 и др.). Настоящая работа является продолжением комплексных исследований по изучению закономерностей аккумуляции ТМ в почвенном покрове Оренбургского Предуралья.
Цель работы – выявить закономерности миграции ТМ в почве и аккумуляции их растениями на территории парков г. Оренбурга.
Для достижения поставленной цели были поставлены и последовательно решены следующие задачи:
-
Изучить особенности временной и пространственной динамики содержания тяжелых металлов (Zn, Cu, Pb и Cd) в снеговом покрове парковой зоны г. Оренбурга.
-
Оценить эколого-геохимическое состояние почв парков.
-
Исследовать особенности аккумуляции Zn, Cu, Pb и Cd представителями вида Populus nigra L. и провести оценку его фитомелиорирующих свойств.
-
Провести сравнительный анализ распределения и миграции тяжелых металлов в системе «атмосфера – почва – растение».
Научная новизна работы
Впервые для Оренбургской области и г. Оренбурга проведены комплексные исследования по выявлению роли снежного покрова в загрязнении почв и растений тяжелыми металлами.
Проведено изучение биогеохимической миграции Zn, Cu, Pb и Cd в условиях г. Оренбурга; установлена тесная зависимость между тяжелыми металлами, поступающими с атмосферными осадками, и их содержанием в почве.
Выявлена зависимость особенностей миграции ТМ по почвенному профилю от гранулометрического состава урбаноземов, содержания в них гумуса и, как следствие, от скорости водопроницаемости.
Изучены особенности накопления Zn, Cu, Pb и Cd представителями вида Тополя черного (Populus nigra L.) и проведена оценка его способности к гипераккумуляции ТМ.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Почвы парков г. Оренбурга испытывают техногенное воздействие, проявляющееся в увеличении содержания в них меди, цинка, свинца и кадмия.
2. Между поступлением ТМ в почву с талой водой и содержанием их в профиле почв и растениях парковой зоны существует прямая зависимость.
3. В относительно гумусированных почвах ТМ накапливаются в верхнем (0–20 см) слое, в почвах с содержанием гумуса ниже среднего по паркам города значения и легкого гранулометрического состава значительная часть поступающих металлов мигрируют за пределы генетического гор. А. Это явление связано с разной скоростью водопроницаемости урбанозёмов, отличающихся по уровню гумусированности и гранулометрическому составу.
4. Растения вида Populus nigra L. приспособлено к накоплению в своих вегетативных органах тяжелых металлов, в связи с чем они способны выполнять фитомелиоративные функции.
Теоретическая и практическая значимость
Проведенное научное исследование расширяет представления об особенностях миграции и аккумуляции ТМ в урбоэкосистемах, оно раскрывает особенности влияния городской среды на снежный, растительный и почвенный покровы.
Полученные результаты могут быть использованы для чтения лекций и проведения практических занятий в ВУЗах г. Оренбурга при преподавании дисциплин экологического профиля.
Данные о миграции ТМ в системе «атмосферные осадки – почва – растения» могут послужить основой для организации экологического мониторинга городской среды. Исследование состава атмосферных осадков позволит прогнозировать изменение содержания токсичных элементов в почвенном покрове г. Оренбурга и его окрестностей.
В ходе исследований выявлено, что фитомелиоративные свойства Populus nigra L. наиболее выражены по отношении к цинку. В этой связи целесообразно использовать Populus nigra L. в качестве маркера почвенного загрязнения, а также в озеленении города для снижения содержания цинка в почвах и его воздействия на живые организмы.
Методология и методы исследования основаны на трудах отечественных и зарубежных ученых в области почвоведения и экологии. В основу диссертации были положены общепринятые в геохимии и почвоведении методы (ГОСТ 17.4.2.01-81, ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 17.4.3.04-85, ГОСТ 17.4.3.05-86 и др.). Определение концентрации тяжелых металлов в надземных частях растений, образцах почвы и снега поводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре. Оценка результатов проводилась по «Перечню ПДК и ОДК химических веществ в почве» (№6229-91, 1991).
Совокупность использованных статистических данных обеспечивает достоверность результатов исследования и аргументированную обоснованность теоретических выводов.
Апробация работы
Результаты работы были доложены на Всероссийской конференции студентов и молодых ученых «Актуальные проблемы инновационного развития агропромышленного комплекса. Будущее АПК» (Астрахань, 2011), на Всероссийской научной конференции XV Докучаевские молодежные чтения, посвященной 150-летию со дня рождения Р.Ф. Ризположенского «Почва как природная биогеомембрана» (Санкт-Петербург, 2012), на ІІ Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные процессы в области химико-педагогического и естественно-научного образования» (Оренбург, 2012), на IX Всероссийской научной конференции с международным участием «Биологическая рекультивация и мониторинг нарушенных земель», Екатеринбург (2012) и др.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, том числе 3 в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы и приложений и содержит 156 страниц текста. Список литературы включает 193 работы, из них 41 на иностранных языках.
