Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современные представления о содержании и формах нахождения тяжелых металлов в урбоэкосистеме в условиях техногенеза (Обзор литературы) .10
1.1. Условия и факторы формирования городских почв .10
1.2. Тяжелые металлы и их биологическая роль 16
1.3. Источники поступления и загрязнение почв ТМ 19
1.4. Факторы, влияющие на подвижность ТМ в почвах 24
1.5. Методы оценки подвижности ТМ в почве .28
1.6. Критерии техногенности ТМ .29
1.7. Поглощение тяжелых металлов растениями 31
1.8. Фитоиндикация .36
1.9. Особенности элементного состава сосны .37
1.10. Снег как индикатор загрязнения окружающей среды .38
ГЛАВА II. Материалы и методы исследования .42
2.1. Характеристика районов исследования .42
2.2. Метеорологические условия .47
2.3. Объекты исследования 49
2.4. Методика отбора проб и методы исследования
2.4.1. Отбор и методы анализа почв 55
2.4.2. Отбор и методы анализа травы укоса 57
2.4.3. Отбор и методы анализа снега .58
2.4.4. Отбор и методы анализа хвои сосны .59
2.4.5. Определение суммарных показателей химического загрязнения .60
ГЛАВА III. Индикаторы аэротехногенного загрязнения городских экосистем Амурской области .61
3.1. Оценка степени загрязнения снежного покрова .61
3.1.1. Тяжелые металлы в растворимой части снега .62
3.1.2. Тяжелые металлы в твердом остатке снега 68
3.2. Сосна (Pinus silvestris L.) как индикатор аэротехногенного загрязнения городских экосистем 3.2.1. Химический состав аэрогенной пыли, накапливаемой на поверхности хвои сосны быкновенной 73
ГЛАВА IV. Тяжелые металлы в урбанизированных почвах амурской области 78
4.1. Физико-химические свойства городских почв 78
4.2. Валовое содержание ТМ в верхнем слое городских почв 80
4.3. Кислоторастворимые формы ТМ .86
4.4. Формы соединений ТМ в почвах урбанизированных территорий 89
4.5. Особенности трансформации меди в городских почвах .100
4.6. Особенности поведения цинка в городских почвах 102
4.7. Особенности распределения марганца в городских почвах .104
4.8. Особенности трансформации хрома в городских почвах .105
4.9. Особенности распределения никеля в городских почвах .
4.10. Особенности миграции кобальта в городских почвах .108
4.11. Особенности трансформации свинца в городских почвах 110
4.12. Особенности поведения кадмия в городских почвах 112
ГЛАВА V. Поведение тяжелых металлов в системе «почва-растение» 116
5.1. Накопление тяжелых металлов в траве укоса .116
5.1.1. Зависимость накопления тяжелых металлов растениями от их содержания в почве 124
5.1.2. Факторы, влияющие на аккумуляцию ТМ растениями 126
5.2. Содержание ТМ в хвое сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.) 132
Заключение 137
Выводы .142
Список сокращений и условных обозначений 144
Список литературы
- Методы оценки подвижности ТМ в почве
- Методика отбора проб и методы исследования
- Химический состав аэрогенной пыли, накапливаемой на поверхности хвои сосны быкновенной
- Особенности распределения никеля в городских почвах
Введение к работе
Актуальность исследований. Загрязнение городских почв тяжелыми металлами (ТМ) приобретает характер глобальной экологической проблемы из-за увеличения количества разнообразных техногенных источников, которые активно включают ТМ в процессы биогеохимической миграции, повышая их токсичность для живых организмов. На сегодняшний день, в основном, исследуются последствия загрязнения территорий крупных промышленных центров России. Дальневосточные же города со сравнительно низкой плотностью населения считаются экологически благополучными и остаются вне зоны комплексного экологического исследования. Изучением экологического состояния г. Благовещенска, в том числе загрязнения почв тяжелыми металлами, занимались многие исследователи, однако их эколого-геохимические исследования были направлены на определение валового содержания ТМ в почвах и их кислоторастворимых форм. Для выяснения поведения ТМ в экосистемах, их подвижности и доступности для живых организмов или эмиссии из почвы необходимы детальные знания о других формах существования ТМ, более значимых и информативных в отношении действия на биоту.
До настоящего времени многие проблемы, связанные с механизмами, управляющими миграционными процессами ТМ в системе «почвы-растения-животные», не решены. Практически не изучены формы соединений ТМ при различной степени загрязнения почв городов, в которых отсутствуют крупные промышленные предприятия, но имеется много малых и средних источников загрязнения, свойственных урбанизированным территориям (транспорт, энергетические установки, бытовые отходы). Недостаточность сведений о последствиях процесса любой урбанизации диктует необходимость проведения детального изучения форм соединений ТМ в зависимости от физико-химических свойств антропогенно измененных почв, что и определяет актуальность настоящего исследования.
Цель работы. Выявить особенности поступления, распределения и миграции ТМ (Cu, Zn, Mn, Cr, Ni, Co, Pb, Cd) в почвах и растениях урбанизированных территорий Амурской области на примере городов Благовещенска, Белогорска и Свободного.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Дать оценку аэротехногенного загрязнения воздушной среды городов по состоянию
снежного покрова в зимний период и смывов с хвои сосны обыкновенной в теплое время
года.
2. Проанализировать валовое содержание и формы соединений ТМ в почвах
урбанизированных территорий Амурской области (водорастворимые, специфически
сорбированные, связанные с оксидами и гидроксидами железа и марганца, прочно связанные
с органическим веществом почв, инертные формы). Установить факторы, определяющие
подвижность и трансформацию соединений ТМ в почвах исследованных городов.
-
Выявить особенности аккумуляции и миграции ТМ в системе «почва - растения» на территориях городов с разной степенью техногенной нагрузки.
-
Провести сравнительную оценку экологического состояния почв и воздушной среды городов Благовещенска, Белогорска и Свободного.
Объекты исследования. Для изучения поставленных задач были выбраны наиболее показательные компоненты урбанизированной экосистемы: снежный покров, городские почвы, травянистая растительность, хвоя сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.).
Научная новизна. Впервые дана комплексная оценка качества воздушной среды и почв урбанизированных территорий Амурской области. Установлены особенности распределения ТМ по фракциям в условиях техногенного загрязнения.
На основании анализа снеговых вод и смывов с хвои сосны обыкновенной в качестве
индикаторов аэротехногенного загрязнения выявлены преобладающие элементы-
загрязнители воздушной среды городов Благовещенска, Белогорска, Свободного.
Впервые доказана прямая связь между накоплением Zn и Mn в травяном покрове и Zn, Cu, Mn, Pb в хвое сосны с содержанием их подвижных форм в почвах. Показана сравнительная оценка уровня загрязнения почв и снегового покрова тяжёлыми металлами в
городах Благовещенск, Белогорск и Свободный.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Основными элементами, преобладающими в составе аэротехногенного загрязнения
городов Благовещенск, Белогорск и Свободный, являются Pb, Zn, Mn, Ni, Co.
2. Повышенное содержание металлов в компонентах урбоэкосистем изменяет
подвижность соединений ТМ в почвах и изменяет элементный состав растений.
3. Существует прямая зависимость между накоплением Zn и Mn в травяном покрове и
Zn, Cu, Mn, Pb в хвое сосны с содержанием их подвижных форм в почвах.
Практическая значимость исследования. Химико-экологическая оценка качества почв и воздушной среды в каждом из исследуемых городов позволяет применить меры для улучшения их состояния. Результаты работы служат основой для выработки рекомендаций по снижению содержания ТМ в почвах и растениях, расположенных в городской черте.
Комплексные методы оценки состояния компонентов городской среды,
использованные в работе, позволяют провести экологический мониторинг и дать прогноз состояния почв.
Результаты комплексного подхода к оценке качества городской среды включены в курсы лекций по экологии и экологическому мониторингу в Благовещенском государственном педагогическом университете.
Теоретическое значение работы. Результаты работы способствуют более глубокому пониманию процессов миграции форм ТМ в почвах, воздушной среде и растениях. Результаты исследования дают возможность оценить специфику круговорота ТМ в системе «атмосфера-почва-растения» в городской среде и оценить антропогенную составляющую тяжелых металлов, загрязняющих компоненты городских экосистем.
Достоверность и научная обоснованность полученных результатов обеспечивается
комплексным характером исследования, корректностью общепринятых экспериментальных
методик, апробированных при проведении исследований. Достоверность полученных
данных подтверждается также большим объемом выборки фактического
экспериментального материала, применением современных методов анализа,
сопоставимостью полученных результатов, выполненных в разных лабораториях, о чем свидетельствует проведенная статистическая обработка с помощью программы Мicrosoft Office Excel.
Личный вклад автора. Отбор образцов проб почв, снега, хвои сосны и травы укоса, подготовка их к анализу и сам анализ проведены автором. Оценка и обобщение полученных результатов, формулировка выводов и основных защищаемых положений выполнены лично автором при корректирующем участии научного руководителя.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были опубликованы в материалах международных и всероссийских научно-практических конференций (Тамбов, 2011), (Москва - Махачкала, 2011), (Пенза, 2011), (Москва, 2012), (Саратов, 2011), (Киров, 2012), (Благовещенск, 2012), (Самара, 2012, 2013). Устные доклады были доложены на всероссийских научных конференциях с международным участием «Почвы Дальнего Востока России: генезис, география, картография, плодородие, рациональное использование и экологическое состояние», Владивосток, 2014; «Водные и экологические проблемы, преобразование экосистем в условиях глобального изменения климата», Хабаровск, 2014; III всероссийской научной конференции «Вопросы геологии и комплексного освоения природных ресурсов Восточной Азии», Благовещенск, 2014; международной научно-практической конференции «Иновационные процессы и технологии в современном сельском хозяйстве», Благовещенск, 2014.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, из них 5 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка литературы, приложения. Объем диссертации составляет 172 страницы, включая 37 таблиц и 30 рисунков. В список цитируемых источников включено
299 наименований, среди которых 257 отечественных и 42 иностранных авторов.
Методы оценки подвижности ТМ в почве
В новой классификации почв России [107] впервые в качестве самостоятельных типов выделены почвы, сформировавшиеся под влиянием интенсивного воздействия антропогенных факторов. Степень антропогенных трансформаций различна и зависит как от интенсивности и длительности воздействий, так и от свойств исходных почв, и может быть представлена следующим образом: естественные почвы слабо-измененные почвы измененные почвы антропогенные почвы. Антропогенные почвы – это антропогенно-трансформированные почвы и почвоподобные тела.
На формирование определенного типа почвы и почвенного профиля влияют климат, материнские породы, которые ее подстилают, рельеф, характер водообменных процессов, тип природной растительности, характерной для данной климатической зоны, животные и микроорганизмы, обитающие в почве [190].
Почвы в городе формируются под воздействием тех же факторов почвообразования, что и естественные (природные) почвы, но при этом преобладающим является антропогенный фактор [190, 253].
Специфичными факторами почвообразования городских почв являются: структура и характер хозяйственного землепользования в городе. Городские почвы созданы постоянно протекающими процессами перемешивания, засыпания, погребения и (или) загрязнения почв и грунтов урбаногенным материалом, что вызывает формирование специфических типов почв и почвоподобных тел. Для городов характерны так называемые техноземы — почвы, создаваемые человеком в процессе рекультивации тех или иных объектов хозяйственного освоения участков земли. Для них характерно отсутствие четко выраженных горизонтов, повышенная плотность и, соответственно, меньшая пористость [34, 193, 195].
Своеобразие городских почв и условий их формирования под воздействием городской среды и продуктов жизнедеятельности человека обуславливает выделение нового направления в науке о почве, которое изучает почвообразование в условиях поселений – урбопедогенез.
В городских почвах – урбаноземах и урбо-почвах выделяют основной диагностический горизонт – урбик, который характеризуется преимущественно супесчаным или легко суглинистым гранулометрическим составом, обусловленным постоянным привнесением на поверхность городской почвы твердых аэральных выпадений супесчано-пылеватого состава, наличием карбонатов (как привнесенных, так и новообразованых), высокой гумусированостью, слабощелочными значениями pH и повышенным содержанием питательных элементов. Химический состав этого горизонта сильно варьирует и оценивается по отношению к природным аналогам [195].
Почвообразующими породами городских почв могут быть как естественные четвертичные образования, так и искусственно созданные природные или антропогенно-образованные грунты. В случае выхода пойменных почв из аллювиального режима аллювиальная толща рассматривавется как почвообразующая или подстилающая порода [193, 213].
Таким образом, согласно новой классификации почв [107], почвы в городской среде формируются при постоянном поступлении различных материалов на поверхность, что позволяет их отнести к стволу синлитогенных почв (в которых почвообразование протекает одновременно с осадконакоплением) к отделу стратоземов, а горизонт урбик называется урбостратоземом [34].
Состояние городских почв, грунтов имеет важнейшее значение для оценки экологического состояния той или иной территории, хотя на урбанизированных территориях они не представляют интерес как начальное звено пищевых цепей, но являются интегральным показателем экологического состояния окружающей среды и потенциальным источником вторичного загрязнения приземного слоя атмосферы, поверхностных и грунтовых вод [57].
Городские почвы - не только среда обитания растений, микроорганизмов, мезофауны, но и уникальный сорбент разнообразных загрязняющих веществ. Почвы городских территорий выполняют важные средообразующие и протекторные функции: регулируют газовый состав атмосферы, являются защитным барьером от вертикального проникновения химических и биологических загрязнителей, защитным сорбционным барьером от загрязнения речных вод и водоемов, депонируют тяжелые металлы, соли, органические загрязнители. Взаимодействуя с почвой, всевозможные загрязняющие вещества могут нейтрализоваться и терять свои отрицательные качества. С участием почв в антропоэкосистемах протекают биогеохимические циклы различных веществ природного и антропогенного происхождения, в них происходит преобразование насыпных грунтов, мусора, трансформация поверхностных стоков в грунтовые воды.
Таким образом, экологические функции городских почв состоят в накоплении и преобразовании энергии и вещества, их перераспределении в цепях питания организмов, способности поглощать загрязняющие вещества и предотвращать их проникновение в сопредельные природные среды, способности поддерживать биоразнообразие на территории города [77, 87, 112, 135, 193].
Город можно рассматривать как геосистему, техносистему или социосистему. Все эти составляющие являются основополагающими, они взаимосвязаны и взаимообусловлены и определяют качество городской среды и комфортность проживания населения. Следовательно, совокупность отдельных элементов субсистем можно объединить в единую урбогеосистему. Таким образом, урбогеосистема – сложное, функционально-целостное образование, состоящее из разнокачественных динамичных систем, обладающих множеством взаимосвязей и испытывающих влияние извне как положительного, так и отрицательного направления [103].
В процессе урбанизации формируется урбоэкосистема – природно-городская система, состоящая из фрагментов природных экосистем, окруженных домами, промзонами, автодорогами. Урбоэкосистема характеризуется созданием новых типов искусственно-созданных систем в результате деградации, уничтожения и (или) замещения природных систем. Эти экосистемы обладают меньшей рекреационной ценностью, нарушенностью биокруговорота, сокращением биоразнообразия, увеличеним числа патогенных микроорганизмов [190, 293]. Почвы исследованных городов Амурской области развивались на четвертичных глинах и суглинках, на аллювиальных и пролювиальных отложениях. Города Благовещенск, Белогорск и Свободный расположены на Амуро-Зейско-Буреинской равнине (рисунок 1.1), в состав материнских пород которой могли войти продукты выветривания как кислых, так и основных горных пород [94, 226].
Методика отбора проб и методы исследования
Исследования проводили в малопромышленных городах Амурской области: Благовещенске, Белогорске и Свободном, которые в то же время являются городами с наибольшим количеством населения, то есть по этому показателю входят в первую тройку.
Благовещенск - административный центр Амурской области, занимает территорию площадью 321 км, лежащую на юго-западе Зейско-Буреинской равнины на левом берегу Амура. Формирование и развитие Благовещенска началось полтора столетия назад в месте слияния двух крупных рек – Амура и Зеи и входит в структуру Амуро-Зейского междуречья. Развитие природного ландшафта города обусловлено, прежде всего, пойменным режимом рек и растительными сообществами, характерными для зоны неморальных лесов. Со временем осваивалось не только днище долины рек Амура и Зеи, но водораздельные пространства Амуро-Зейского междуречья [213].
В современных условиях города естественный ландшафт деградирует, как природная данность, и приобретает антропогенные черты, иногда неблагоприятные для человека. В наиболее освоенных районах города формируются полностью преобразованные, искусственные ландшафты, среди которых есть застроенные территории и озелененные пространства.
В целом, рельеф представляет собой низкую, плоскую сегментно-гривисто-островную равнину с абсолютными высотами от 123 м до 150 м и сложен древними аллювиальными отложениями (пески, супеси, суглинки и глины). На участках надпойменных террас, вышедших из пойменного режима, сформировались бурозмы типичные и темные, на междуречных склонах разных экспозиций и крутизны -бурозмы типичные и смытые. На ровных участках высокой поймы развиваются аллювиальные почвы: луговые суглинистые, серогумусовые, слоистые, перегнойно-глеевые, а в пониженных местах – пойменные болотные почвы [23]. Это естественные почвы на территории города. Но за время урбанизации они были сильно видоизменены деятельностью человека. Всевозможные земляные работы (траншеи, котлованы, подсыпка грунта и пр.) во многих местах перемешали почвы с материнской породой, а порой просто ее захоронили. Завезенный грунт попадает на несвойственную данной почве материнскую породу или на строительный мусор, тем самым нарушается естественный процесс почвообразования [119].
Население г. Благовещенска - 207,3 тысяч человек [9]. Город находится на границе с КНР, напротив китайского города Хэйхэ. Города Благовещенск и Хэйхэ разделяет река Амур, ширина которой в городской черте, в среднем, составляет около 800 метров.
Благовещенск не является индустриальным, промышленно развитым городом. Объем промышленного производства в нем сравнительно небольшой. Из наиболее крупных предприятий в городе расположены завод «Амурский металлист», заводы стройматериалов, железо-бетонных изделий, асфальтовый и домостроительный комбинаты, предприятия пищевой промышленности. Кроме этого, здесь находится железнодорожная станция, речной порт и международный аэропорт, расположенный в двадцати километрах к северо-западу от Благовещенска.
В Благовещенске зарегистрировано 57 предприятий, выбрасывающих в атмосферу различные загрязняющие вещества. По сообщениям природоохранной прокуратуры, в 2008 году в атмосферу в черте города было выброшено более 33 тыс. тонн вредных веществ [134]. На долю Благовещенской ТЭЦ приходится в среднем 31,9 тысяч тонн загрязняющих веществ в год, то есть более 95% от суммарного выброса [80].
Наибольший выброс пыли дают установки, работающие на угле. Электростанция, сжигающая ежегодно 1 миллион тонн угля, даже при эффективной работе пылеулавливающего оборудования, выбрасывает в атмосферу до 12 тыс. тонн мелких частиц пыли. При сгорании мазута образуется на два порядка меньше твердых частиц, чем при сжигании угля [48].
Благовещенская ТЭЦ сжигает 1200000 тонн угля и 720 тонн мазута (М-100) в год. Используется, в основном, бурый уголь Ерковецкого месторождения, в отожженной золе которого содержание Ni, Co, Cr, Zn в 1,5–3,5 раза выше кларковых величин осадочных пород [252].
Для ТЭЦ характерна большая масса выброса газовой фракции загрязняющих веществ, зона влияния которых прослеживается на 15 км по розе ветров [48]. Несмотря на то, что это предприятие расположено на окраине города, выбросы ТЭЦ в направлении господствующих ветров с северо-запада на юго-восток (согласно розе ветров) большую часть года направлены на жилые кварталы города и поэтому оказывают значительное влияние на экологическую ситуацию в городе. Кроме того, в городе находится много мелких котельных, которые вносят существенный вклад в загрязнение его воздушного бассейна [24, 198].
Большое влияние на экологическую обстановку в городе оказывает и рельеф местности в районе Благовещенска. Город расположен в низине между сопками, поэтому выбросы с котельных и ТЭЦ продолжительное время «висят» над городом и медленно оседают на поверхность почвы, постепенно накапливаясь в ней. Кроме того, географическое расположение города – в месте слияния двух крупных рек – способствует формированию особой термодинамической модели воздушных потоков, определяющей ореолы рассеяния загрязняющих веществ непосредственно над городом [255].
Близость г. Хэйхэ (население около 170 тысяч человек) может быть одним из источников трансграничного переноса загрязняющих веществ. Высокие темпы промышленного и сельскохозяйственного освоения северных территорий КНР усилили антропогенную нагрузку на воздушный бассейн Амурской области. Китай относится к странам с бурно развивающейся экономикой и неблагоприятной экологией. Это ярко проявляется как в энергетике, где основной источник энергии – уголь, так и в производстве сельскохозяйственной продукции, где применяются, пожалуй, самые высокие в мире дозы минеральных удобрений и ядохимикатов. Так, например, на долю КНР приходится 40-43 % выбросов в атмосферу над восточной Азией, а в ближайшее время этот показатель может увеличиться. Трансграничный перенос оказывает влияние на большую часть густонаселенной территории Амурской области [114]. В зимний период в Хэйхэ полностью убирается и вывозится снег. Этот город в зимнее время отапливается мелкими котельными, работающими на буром угле, от которого бывает больше всего вредных отходов и газообразных выбросов, и все эти выбросы при его сжигании оседают на тротуарах и проезжей части. Китай – крупнейший потребитель угля в мире и, соответственно, один из основных источников выбросов в атмосферу при его сжигании в зимнее время. При юго-западном или юго-восточном направлении ветра потоки воздушных масс периодически приносят со стороны Китая и Монголии большое количество пыли и мелкодисперсного пылеватого песка, выпадающего на территории Амурской области с осадками, что свидетельствует о возможном трансграничном переносе загрязнителей [255, 298].
Город Свободный – второй по занимаемой площади город Амурской области – 225 км2, с населением 60 тысяч человек [9]. Свободный расположен на правом берегу реки Зея (основной приток Амура), в 130 км севернее г. Благовещенска. Город Свободный строился на Амуро-Зейском междуречье с выходом на пойму р. Зея.
Расчлененный рельеф высокой аккумулятивной равнины определили формирования несколько иного состава природных комплексов и, прежде всего, набора почвенно-растительных компонентов. По растительности территория Свободного и его окрестностей входит в состав подтажной зоны. Почвенный покров представлен бурозмами разных подтипов: типичными, смытыми и глееватыми. В пойме Зеи и долинах малых притоков развиваются аллювиальные почвы: серогумусовые, слоистые, перегнойно-глеевые [23, 161].
Химический состав аэрогенной пыли, накапливаемой на поверхности хвои сосны быкновенной
В растворимой и нерастворимой части смывов аэрогенной пыли, накапливаемой на поверхности хвои, было определено содержание ТМ (таблица 3.8).
На основании значений Кс составлен следующий ряд растворимых форм микроэлементов в смывах хвои сосны для г. Благовещенска: Pb (1-47) Ni (1-46) Co (1-36) Cr (1-25) Cu (1-9,4) Zn Cd (1-7) Mn (1-4,5). Максимальные концентрации свинца были отмечены на площадках промышленной и транспортной зон города (19, 22, 6), превышая фоновый показатель в 7-47 раз, Ni и Cu - в транспортной зоне (6, 7), где фоновые значения превышены в 46 и 9 раз, соответственно.
Проведенный анализ содержания ТМ в растворимой части смывов хвойного материала, отобранного на территории г. Благовещенска, показал, что по суммарному показателю химического загрязнения (СПЗ) исследуемые районы города образуют следующий убывающий ряд: промышленная зона транспортная зона селитебная зона рекреационная зона фон.[24].
Наибольшее значение СПЗ выявлено на площадках промышленной и транспортной зон: 19 (144), 6 (119), 10 (81,3), 22 (75,6). Преобладающими элементами относительно фона в растворимой части смывов г. Благовещенска являются Pb Ni Co Cr. Таблица 3.8 – Концентрация ТМ (10-3 мг/кг хвои) в растворимой и нерастворимой части аэрогенной пыли, задерживаемой поверхностью хвои (г. Благовещенск) задерживаемого поверхностью Анализ химического состава нерастворимой части аэрозольного материала, хвои, показал, что практически на всех исследуемых площадках г. Благовещенска наблюдается превышение фоновых значений ТМ по цинку и меди на площадках транспортной зоны (6, 7) в 4-22 раза, промышленной зоны (9, 10, 19) - в 2-8 раз. Содержание хрома выше фона в транспортной зоне (6, 7) в 3-16 раз, в промышленной (9, 10, 19) - до 6 раз; кобальта и никеля до 79 раз в транспортной зоне (6, 7) и до 20 раз - в промышленной (9, 10, 19, 22). Концентрация свинца превышает фоновый показатель на площадках промышленной зоны (9, 10, 19) в 13-120 раз, транспортной (2, 6, 7) - в 3-86 раз. Таким образом, наибольшее накопление ТМ, относительно фона, в минеральной части аэрогенной пыли, задерживаемой поверхностью хвои, почти по всем элементам наблюдается на площадках промышленной (9, 10, 19) и транспортной зон (6, 7) г. Благовещенска.
Согласно значениям Кс в твердом остатке смывов хвои в г. Благовещенске ТМ расположились в следующем порядке (по убывающей): Pb (1-120) Co (1-79) Ni (1,2-46) Zn (1-22) Cr (1-11) Mn (1-8,5) Cu Cd (1-5,7).
Сравнение суммарного загрязнения ТМ твердой и растворимой части смывов аэрогенной пыли с хвои показывает, что исследуемые элементы находятся, в основном, в виде твердого остатка на поверхности хвои (рисунок 3.2) в составе таких малорастворимых соединений, как оксиды, сульфиды, карбонаты [24].
Среднее значение показателя химического загрязнения ТМ (СПЗ) в растворимой и нерастворимой части аэрогенной пыли, задерживаемой поверхностью хвои, в различных зонах г. Благовещенска Установлено, что в транспортной и селитебной зонах в выбросах преобладает минеральная часть (твердый остаток), в промышленной зоне примерно в равных долях присутствуют как растворимые, так и минеральные формы ТМ. Доля Cu, Cr, Mn, Ni, выходящих в раствор, составляет, в среднем, 15 % от общего их количества в смывах хвои, а доля Pb, переходящего в раствор, от 0,5 до 10 %. Для примера возьмем одну из площадок транспортной зоны (7) и рассмотрим соотношение элементов в растворимой и твердой части аэрозольного материала, задерживаемого поверхностью хвои, и % их перехода в раствор. Соотношение Cu (в 10-3 мг/кг хвои) в растворимой и твердой частях составляет 26 к 274, то есть 8,7 % меди находится в растворимой форме, Cr – 4,7 / 84 (5,6 %), Mn - 200 / 1154 (14 %), Ni -39 / 116 (25 %), Pb – 4,7 / 163 (2,8 %). Возможно, водорастворимые формы ТМ поглощаются тканями хвоинок, поэтому процент выхода их в раствор незначителен [24].
Доля Сo и Cd, переходящих в раствор, достигает 60 %, а на фоновой территории -ниже предела обнаружения. Можно предположить, что данные элементы, после смывания их атмосферными осадками, будут поступать в почву в большем количестве, чем остальные ТМ [24]. Несколько иной механизм поступления цинка в растворимую часть смыва. На загрязненных территориях (транспортная зона) в раствор переходит от 4 % (7) до 20 % (6). На площадках фоновой и селитебной зон - около 50 %. Эта особенность накопления и перехода цинка в раствор отмечалась и другими исследователями [7, 250].
Проведенный анализ смывов аэрозольного материала, задерживаемого поверхностью хвои, на содержание ТМ в г. Белогорске показал превышение фоновых значений почти по всем элементам в твердом остатке смывов на площадках 1 и 3 в 2-21 раз. Наибольшее превышение выявлено для Pb и Ni. В растворимой части смывов с хвои наибольшие концентрации отмечены также для Pb и Ni на всех пробных площадках, превышающие фоновые показатели в 7-22 и 2-4 раза, соответственно. Максимальные содержания ТМ зафиксированы на площадках 2 и 3 (приложение Е).
В г. Свободном максимальные концентрации ТМ в растворимой части смывов с хвои отмечены на площадках 2 и 3, а в твердом остатке смывов – на 1 и 2 (приложение Е). Перечисленные участки в городах Белогорске и Свободном расположены в районах действующих промышленных предприятий и автотрасс. Преобладающими элементами относительно фона в растворимой части и в твердом остатке смывов с поверхности хвои в городах Белогорске и Свободном являются Pb, Ni и Co.
По суммарному показателю загрязнения (СПЗ) ТМ на поверхности хвои исследуемые города можно расположить следующим образом, в порядке уменьшения: растворимая часть смывов: Благовещенск Белогорск Свободный, твердый остаток в смывах: Благовещенск Свободный Белогорск (таблица 3.9).
Таким образом, на территориях трех городов в аэрогенной пыли, осаждаемой на поверхности хвои, преобладающими элементами являются Pb Ni Co Cr - в растворимой части, Pb Cо Ni Zn - в твердом остатке. Схожий состав элементов выявлен в твердом остатке снега. Следовательно, данные элементы в большем количестве присутствуют в аэротехногенных выбросах трех городов, что подтверждается другими исследователями [147].
Основными источниками поступления этих элементов в атмосферу исследуемых городов могут быть предприятия топливно-энергетического комплекса, которые используют, в основном, бурый уголь Ерковецкого месторождения, в золе которого содержание Ni, Co, Zn в 1,5–3,5 раза выше кларковых величин осадочных пород [252].
Как показали наши исследования, использование хвои сосны обыкновенной и снегового покрова в качестве индикаторов загрязнения окружающей среды позволяет получать наиболее объективную информацию в оценке экологического состояния воздушной среды городов. В условиях урбанизированных территорий почти все изучаемые элементы присутствуют в анализируемых объектах в большем количестве по сравнению с фоном. Наибольшая концентрация в составе аэрогенной пыли на территориях обследуемых городов характерна для Pb, Ni, Cо, Zn, Mn.
Поступление загрязнителей в окружающую среду обусловлено, в основном, выбросами предприятий теплоэнергетики и автотранспорта, которые четко разделить в условиях небольших городов практически невозможно.
Особенности распределения никеля в городских почвах
Результаты анализов показали, что самым подвижным из исследуемых ТМ в растениях является цинк. Zn является эссенциальным, то есть жизненно необходимым микроэлементом, так как входит в состав более 200 ферментов. Ему принадлежит важная роль в синтезе белков и нуклеиновых кислот, он также влияет на биологическую активность других элементов [101].
Содержание Zn в наземной части растений находится в зависимости от величины Ca/Zn в почве. С возрастанием содержания Ca в почве увеличивается величина Ca/Zn и понижается концентрация Zn в растениях. Например, на площадке 9 (приложение Ж) повышенное содержание обменного Ca в почве - 161,8 ммоль/100 г почвы, а Zn – всего 50,0 мг/кг, величина Ca/Zn - 3,2. На данной территории содержание Zn в растениях небольшое –21,9 мг/кг. Промышленные предприятия (силикатный завод) способствуют увеличению карбонатности почв и, соответственно, величины рН, понижают содержание органических веществ в почве, тем самым уменьшают подвижность Zn и ограничивают его поглощение растениями.
На площадке 3 обменного Ca в почве немного – 31,7 ммоль/100 г почвы, а Zn – 191 мг/кг, величина Ca/Zn – 0,16. На данной территории отмечена самая высокая концентрация Zn в траве укоса – 86,4 мг/кг. Можно предположить, что на этих точках отбора обменный Ca в почвах является антогонистическим элементом в отношении Zn для растений.
А. Кабата-Пендиас [101] полагает, что взаимодействия Zn - Ca различны и зависят от вида растений и среды. Вероятно, антогонистический или синергический характер взаимоотношений между этими элементами определяется рН и химическими реакциями в почве.
Существуют два ведущих фактора формирования элементного состава растений -генетический и экологический, долевое участие которых изменяется от условий среды. Экологический фактор становится ведущим при техногенном загрязнении окружающей среды тяжелыми металлами [197].
Значения КБП для ТМ в разных зонах г. Благовещенска (таблица 5.3) свидетельствуют о том, что наибольшее накопление токсичных элементов в растениях урбофитоценозов характерно для транспортной и промышленной зон. В транспортной зоне, где КБП в растениях варьирует от 4,1 до 13 (в среднем, 6,6), приоритетным загрязнителем растений является Zn, что связано с автомобильным транспортом. Для этой зоны отмечено повышенное содержание элемента в специфически сорбированной фракции почвы, где его доля составляет до 20 % от валового содержания (приложение П). Потребление Zn растениями возрастает с повышением его подвижных форм в почве (таблица 5.8). Соответственно, при техногенном загрязнении почв цинком растения концентрируют его большую часть, включая его в пищевые цепи, что представляет реальную опасность и для здоровья человека.
Медь играет большую роль в физиологических процессах. Она является компонентом ряда окислительных ферментов, влияет на углеводный и белковый обмен растений, усиливает процесс фотосинтеза, способствует устойчивости растений к болезням. В то же время слишком высокое содержание в почве доступной для растений меди нарушает развитие корней и уменьшается поступление в растения Fe и Mn [101].
Анализ содержания Cu в траве укоса показал, что КБП (таблица 5.3) возрастает с уменьшением концентрации элемента в почве. Максимальные КБП для Cu (7,8) отмечены на площадке 19, концентрация же этого элемента в почве низкая – 10 мг/кг или на площадке 10, где КБП Cu растениями – 6,1, а содержание ее в почве – 14 мг/кг. Высокое накопление Cu в почве способствует снижению показателя КБП. На площадке 24 самое высокое содержание Cu в почве – 72 мг/кг, а КБП – 1,0, или в почве на площадке 6 меди – 33,0 мг/кг, а КБП – 1,8. Таким образом, интенсивность поглощения меди растениями снижается с увеличением ее концентрации в почве. Корневая система растений блокирует избыточное поступление Cu в надземные органы, выполняя защитную функцию от токсического влияния металла [27].
Свинец является главным компонентом химического загрязнения среды и токсичным для растений элементом, хотя имеются данные о стимулирующем действии при низких концентрациях некоторых солей свинца на рост растений. Избыток Pb ингибирует дыхание и подавляет процесс фотосинтеза [101].
Диапазон колебания валового содержания Pb в верхнем слое почв в промышленной и транспортной зонах г. Благовещенска варьирует в интервале от 19 до 311 мг/кг (таблица 4.1), а в траве укоса содержание Pb – от 0,1 до 3,8 мг/кг сухого вещества (приложение Т). КН для Pb в этих зонах достигает 4,7, возрастая с загрязнением почвы (таблица 5.4). Почва и растения придорожных территорий имеют достаточно выраженный уровень загрязнения Pb – это площадки 2, 4 и 6.
Выявлена также особенность почвенных K и Ca снижать поступление Pb в растения. В качестве примера рассмотрим эту связь на нескольких площадках г. Благовещенска с самым большим содержанием подвижных форм K в верхнем слое почв. На площадке 24 - 641 мг/кг K в почве, а КБП для Pb - 0,02; площадке 17 - 482 мг/кг K, а КБП для Pb - 0,03; площадке 5 - 521 мг/кг K в почве, а КБП для Pb - 0,01. Если подвижного K в почве немного, то КБП для Pb возрастает более, чем на порядок. Например, на площадке 19 почвенного K – 101 мг/кг, а КБП для Pb - 0,7; на 21 - 93 мг/кг K, а КБП для Pb - 0,5 (таблицы 5.3 и приложение Ж).
Та же закономерность прослеживается и для Ca. Например, на площадке 25 обменного Ca - 176 ммоль/100г почвы, а КБП для Pb - 0,09; на площадке 9 Ca - 161 ммоль/100 г почвы, а КБП для Pb - 0,23. При уменьшении содержания обменного Ca в почве увеличивается поглощение растениями Pb. Так, на площадках 15 и 4 обменного Ca – 4,7 и 16,8 ммоль/100г почвы, соответственно, а КБП для Pb на этих участках - 0,7.
Таким образом, повышенные содержания K и Ca в почве оказывают ингибирующее влияние на поступление в растения Pb, выступая тем самым в качестве антогонистов. Особенность почвенного K и Ca снижать поступление Pb в растения подтверждается и другими авторами [154, 209].
Кадмий - один из высокотоксичных элементов [160], относящийся к первому классу опасности [59], обладает высокой мобильностью в почвах, а растворимые формы Cd в почве доступны для растений. Кадмий активно поглощается как корнями, так и листьями, большая же его часть аккумулируется в тканях корней, даже если он попадает в растения через листья [101].