Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Биоиндикация - один из информативных методов оценки состояния городской среды (обзор литературы) 10
Глава 2. Природно-техногенная характеристика г.Воронежа
2.1. Ландшафтная характеристика 23
2.2. Почвы 27
2.3. Климат 31
2.4. Состояние воздушной среды и характер выбросов 34
2.5. Автотранспорт как основной загрязнитель воздуха г.Воронежа в период спада промышленного производства (1995-1999 гг.) 38
2.6. Зеленые насаждения как основной компонент функционирования экосистемы г.Воронежа 45
Глава 3. Фитоиндикационная роль морфолого-физиологических показателей древесных растений в транспортно-селитебных ландшафтах
3.1. Краткая характеристика древесных пород, наиболее часто применяемых в озеленении улиц г.Воронежа
3.1.1. Тополь черный, или осокорь (Populus nigra L.) 49
3.1.2. Тополь пирамидально-осокоревый Камышинский (гибрид) 50
3.1.3. Липа мелколистная (Tilia cordata Mill) 50
3.1.4. Каштан конский обыкновенный (Aesculus hippocastanum L.) 51
3.1.5. Береза повислая, или бородавчатая (Betulapendula Roth.) 51
3.2. Индикационная роль листьев
3.2.1. Видимые поражения листьев 52
3.2.2. Площадь листьев 68
3.2.3. Асимметрия листьев 72
3.2.4. Влажность листьев 74
3.3. Морфометрические измерения репродуктивных органов 76
Глава 4. Аккумуляция тяжелых металлов в различных частях древесных растений (листьях, коре ветвей, корке ствола)
4.1. Объекты и методы исследования 79
4.2. Зольность 83
4.3. Свинец 94
4.4. Кадмий 105
4.5. Цинк 111
4.6. Медь 117
4.7. Никель 124
4.8. Железо 130
Глава 5. Биоиндикационное значение почвы транспортно-селитебных ландшафтов
5.1. Некоторые морфологические и химические показатели урбаноземов
5.1.1. Морфологическая характеристика урбаноземов 138
5.1.2. Кислотность верхних горизонтов урбаноземов 145
5.1.3. Содержание органического углерода в верхней части профиля урбаноземов 151
5.2. Содержание тяжелых металлов в поверхностных горизонтах почв 154
5.2.1. Свинец 160
5.2.2. Кадмий 163
5.2.3. Цинк 163
5.2.4. Медь 164
5.2.5. Никель 167
5.2.6. Железо 169
5.2.7. Хром и кобальт 169
5.2.8. Роль кустарниковых изгородей в распространении тяжелых металлов вблизи городских магистралей 171
5.3. Биотестирование почв 183
Заключение и выводы 202
Библиографический список использованной литературы 207
Приложения 220
Ландшафтная характеристика
Город Воронеж расположен на юго-восточной окраине Среднерусской возвышенности на берегах реки Воронеж в 12 км от ее впадения в реку Дон. Территория города длительное время ограничивалась высоким (до 50-60 м) правобережьем реки с абсолютными отметками 145-150 м (Мильков, 1983). Это было обусловлено прежде всего выгодными стратегическими преимуществами, которые получал город-крепость благодаря такому господствующему положению. Сходные условия формирования, по нашим наблюдениям, имеют и другие города Центральной России и Черноземья (Смоленск, Владимир, Тамбов, Борисоглебск, Острогожск, Павловск и др.). Лишь с XVIII в. начинается застройка плоского Воронежско-Донского водораздела и левобережных песчаных террас р.Воронеж. И только в 60-70-х годах текущего столетия западная окраина города, охватив весь Воронежско-Донской водораздел, перешла на нижние песчаные террасы левобережья Дона и продвинулась по ним далеко на север. Ширина древней долины Среднего Дона, в пределах которой располагается современный Воронеж, составляет 40-45 км. Коренной правый склон долины образован крутым уступом Среднерусской возвышенности. Над поймой возвышаются четыре надпойменные террасы. Четвертая терраса, самая высокая, приподнята на 60 м над урезом воды в реке (Мильков, 1983).
В.И.Федотов с соавторами выделяют в застроенной части города Воронежа несколько ландшафтных микрорайонов (Мамчик, Федотов и др., 1997).
1. Левобережный промышленно-селитебный надпойменно-террасовый ландшафтный микрорайон приурочен к первой, второй и третьей надпойменным террасам, сложенным древнеаллювиальными песками и супесями. Промышленные и жилые массивы левобережья не имеют значительных санитарно-защитных разрывов, так как основные промышленные предприятия возводились одновременно с городской застройкой в предвоенные годы и располагались вплотную друг к другу. Основные транспортные магистрали ориентированы либо параллельно береговой линии водохранилища (Ленинский проспект, улицы Ленинградская, Ростовская, Новосибирская), либо перпендикулярно (улицы Димитрова, Героев стратосферы, Полины Осипенко). Легкая проницаемость песчаных отложений левобережных террас угрожает загрязнением подземных водоносных горизонтов. Частично это уже произошло в южной части города под полями фильтрации, где обнаружен водоносный пласт, загрязненный некалем. Зарегистрирована фильтрация соединений тяжелых металлов из отстойника токсичного шлама ТЭЦ-1. В северо-восточной части к городской промышленно-селитебной зоне примыкают лесопарковые комплексы Усманского бора и лесолуговые ландшафты реки Усманки. 2. Долинно-аквальный ландшафтный микрорайон ограничен береговой линией Воронежского водохранилища, две трети площади которого располагается в черте городской застройки. Водохранилище представляет собой мелководный водоем руслового типа, который вытянут в меридиональном направлении на 35 км, средняя ширина - около 2 км, средняя глубина - 2,9 м. Состояние водохранилища оценивается как среднезагрязненное. По данным Госсанэпиднадзора в воде водоема отмечаются превышения ПДК по аммиаку, нефтепродуктам, железу. В водохранилище попадают не только недостаточно очищенные организованные стоки промышленных предприятий (АО "Воронежсинтезкаучук", "Воронежшина", ВВРЗ им. Тельмана, АООТ "Электроприбор", АООТ "ВАСО", ГП КБХа и др.), но и ливневые выпуски, через которые с улиц, промплощадок, частного сектора смывается значительное количество загрязняющих веществ (Доклад о состоянии окружающей среды Воронежской области в 1997 г., 1998). Исследования А.И.Тишкова и К.К.Гладких (1995) показывают накопление тяжелых металлов в органах и тканях рыб, вылавливаемых в Воронежском водохранилище. 3. Правобережный селитебный приречно-балочный ландшафтный микрорайон располагается на крутом (18-20) долинном склоне реки Воронеж, изрезанном глубокими балками. Наиболее известны Ботаническая балка, Чижовская балка, Стрелецкий лог и другие. Песчано-глинистые отложения склонов, насыщенные подземной влагой, провоцируют оползнево-осыпные явления. В этой части города практически нет промышленных предприятий. Доминируют одноэтажные деревянные и кирпичные постройки с высокими цоколями, окруженные древесными и кустарниковыми насаждениями частных садов. Повышенная экологическая напряженность в этом районе обусловлена наличием трех транзитных автомагистралей, связывающих правый и левый берега Воронежа. Одна проходит от ВОГРЭСовского моста по ул.Грамши, другая - по ул. 20-летия Октября, третья - от Чернавского моста по ул.Степана Разина. 4. Центральный плакорно-селитебный ландшафтный микрорайон занимает самую старую часть Воронежа. Выровненный рельеф центральной части города стал идеальной площадкой для ранней застройки, которая продолжалась на протяжении всей 400-летней истории города. Промышленные предприятия единичны. Доминируют строения средней этажности. Плотная застройка чередуется с внутриквартальными скверами и бульварами. Основная градообразующая роль в этой части города принадлежит проспекту Революции, улицам Ф.Энгельса и Кольцовской, которые ориентированы параллельно долине р.Воронеж с северо-востока на юго-запад и хорошо продуваются. Но несмотря на это, при чрезвычайно высокой плотности транспорта здесь регистрируются признаки интенсивного загрязнения. 5. Правобережный плакорно-водораздельный промышленно-селитебный ландшафтный микрорайон на юге ограничен улицами Кольцовская и 20-летия Октября, на севере - улицей Беговая, Московским проспектом и улицей Хользунова, на западе - окружной автомагистралью, улицами Дорожная и Космонавтов, а на востоке - отрезком улиц Республиканская и Транспортная. В основе геологического фундамента Правобережного ландшафта города залегают мощные древнеаллювиальные песчано-глинистые отложения, экранируемые сверху толщей покровных суглинков. В рельефе преобладают пологонаклонные поверхности, осложненные техногенными выемками (карьер "Глинозем" в начале улицы Шишкова) и естественными углублениями (балка "Голубой Дунай").
Тополь черный, или осокорь (Populus nigra L.)
Быстрорастущее дерево высотой до 30 м с раскидистой шатровидной кроной и стволом до 1-2 м в диаметре. Кора на стволе темно-серая, толстая, трещиноватая. При распускании листья слабоволосистые, а затем голые, темно-зеленые сверху и светлые внизу. Распускание почек в г.Воронеже начинается в конце апреля (29-30 апреля), развертывание листьев продолжается до 11-15 мая. Растения раздельнополые. Цветки, собраные в сережки, появляются до распускания листьев. Семена в коробочках созревают в мае - июне и после раскрытия коробочек дают обильное "пушение", особенно в районах старой застройки города, где в озеленении преобладают женские экземпляры этого вида. В городе Воронеже у тополя черного один из самых продолжительных вегетационных периодов. Так, осеннее расцвечивание листьев начинается лишь в конце сентября - начале октября, а полное опадение листьев наблюдается последним из всех древесных пород в озеленении города - в конце октября. Кроме того, тополь черный устойчив к засухе (так как имеет мощную корневую систему стержневого типа с сильно развитыми боковыми корнями), малотребователен к почве и, что самое главное, высокоустойчив к аэротехногенному загрязнению. В наших предварительных исследованиях древесных растений в специально смонтированных газовых камерах, наполнителем которых служили выхлопные газы бензиновых двигателей, тополь черный показал себя наиболее устойчивой породой в ряду таких растений (по мере убывания устойчивости), как тополь лавролистный, тополь бальзамический, тополь пирамидально-осокоревый Камышинский, липа мелколистная, клен остролистный, осина (Федорова, Царева, Шунелько, 1996). Гибрид выведен членом корреспондентом ВАСХНИЛ А.В.Альбенским на Камышинском опытном пункте Всесоюзного научно-исследовательского агромелиоративного института от скрещивания тополя черного пирамидального с местным тополем - осокорем. Дерево высотой до 40 м и в диаметре до 1 м. От южного вида гибрид отличается высокой зимостойкостью, засухоустойчивостью и мощным, быстрым ростом. Деревья мужские, цветут в конце апреля - начале мая (28 апреля - 5 мая) тычиночными сережками темно-красного цвета до 7 см длины. Как и тополь черный, тополь пирамидально-осокоревыи имеет продолжительный срок вегетации - она начинается с последних чисел апреля (28-30 апреля) и заканчивается в конце октября. Деревья высокодекоративны, с пирамидальной, пышной, густооблиственной кроной. Однако в условиях города нередко наблюдается суховершинность и усыхание крупных ветвей, а иногда и гибель всего дерева.
Дерево высотой 30-32 м и диаметром ствола до 1-2 м. Крона густая шатровидная, верхние ветви направлены вверх, нижние - свисающие. Кора темно-серая с красноватым оттенком, гладкая, к 30-40 годам буреет и становится глубокоборозчатой. Листья сердцевидные, сверху темно-зеленые, голые, снизу матовые. Соцветие щитковидное, с цветоносом, сросшимся с крупным прицветным листом, который способствует распространению ветром орешковидных плодов. Липа весьма зимостойка, теневынослива, однако чувствительна к почвенной и воздушной засухам и требовательна к почвам. Распускание почек начинается в г.Воронеже в конце апреля (29-30 апреля), развертывание листьев происходит в первую половину мая (5-15 мая). Цветочные почки появляются на молодых облиственных побегах. Мелкие желто-белые цветки, собранные по 5-6 штук, появляются в конце июня -июле. Продолжительность цветения около 2-2,5 недель. Осеннее расцвечивание листьев начинается со второй декады сентября и продолжается до начала октября. Примерно в это же время начинается их активное опадение. Однако, как и у каштана, высокая чувствительность листьев липы к фитотоксикантам проявляется уже в июне - начале июля, что выражается в наличии "медвяной росы", хлорозов, некрозов, выпадений участков листьев.
Медь
Фоновое содержание Си в древесной растительности находится в пределах 3.1-9,5 мг/кг сухой массы. Содержание Си, такого же биофильного элемента, как и Zn. больше в органах и тканях, в которых протекают интенсивные обменные процессы - в листьях и коре побегов. Так, для тополя черного, каштана конского и тополя пирамидального концентрации Си в листьях максимальны и составляют 4,9, 6.5 и 7,3 мг/кг сухой массы соответственно (табл. 19, 21-22). На втором месте находится кора ветвей - она содержит от 4,0 до 6,4 мг/кг меди, на третьем - корка ствола (3.1-4,8 мг/кг). У липы максимальное накопление меди происходит в коре ветвей (8,2 мг/кг), среднее - в корке ствола (6,4 мг/кг), минимальное - в листьях (4,7 мг/кг) (табл. 20). По Ковальскому (1969), пороговые значения содержания меди в растениях составляют: нижний - 3-5, оптимальный - 5-12, верхний - 20-40 мг/кг. Таким образом, фоновые концентрации металла у изученных древесных растений находятся на уровне нижних и оптимальных значений.
В пределах селитебно-транспортных ландшафтов содержание меди в растительности колебалось от 3,1 до 80,4 мг/кг сухой массы. Здесь, в отличии от контроля, на первое место по содержания Си у всех изученных растений выходит корка ствола, накапливающая поллютанты более длительное время, на втором месте находятся листья, на третьем - кора побегов. Превышение накопления металла в корке ствола над корой побегов сохраняется как в июне, так и в сентябре (рис. 22-25).
Повышенное содержание меди в растениях отмечается практически во всех городских местообитаниях. В городских парках и на улицах с низкой и средней интенсивностью движения содержание Си увеличивается в корке ствола в 1,4-5,9 раз, в коре ветвей и листьях - либо не отличается от фона, либо увеличивается незначительно - в 1,5-2 раза. Исключение составляют деревья тополя черного на малозагруженной автотранспортом улице Дружинников, содержание меди в корке ствола которого (в 13 раз выше фонового) отражает многолетнее загрязнение тяжелыми металлами этого старого промышленного района, тогда как современное загрязнение медью невелико - листья накапливают в 1,4 раза больше Си, кора ветвей практически не отличается по этому показателю от коры контрольных деревьев.
Иная картина отмечается на улицах с интенсивным движением транспорта, в том числе имеющих троллейбусные и трамвайные линии (улицы Кирова, Пешестрелецкая, Плехановская, Ленинский пр-т). Деревья вдоль этих магистралей накапливают значительное количество меди - от 5,4 до 80,4 мг/кг сухой массы. Так, тополя черный и пирамидально-осокоревый Камышинский содержат в 7-13 раз больше меди в корке ствола и в 1,5-2,8 раз в коре ветвей и листьях, чем в контроле. Коэффициенты концентрации (КК) меди по сравнению с контролем в органах и тканях каштана равны 7,6 для корки ствола; 3,3 - для коры ветвей; 2,6 - для листьев. Самое высокое содержание Си отмечено в органах лип мелколистных, растущих в рядовых посадках по ул.Кирова и примыкающих с одной стороны к плотной 5-ти-этажной застройке, с другой - к троллейбусной линии. Валовое содержание меди в корке ствола лип составило 80,4 мг/кг (что в 12,6 раз выше фона), в листьях - 72,0 мг/кг (КК=15,3), в коре ветвей - 31,1 мг/кг (КК=3,8). Источником такого аномально высокого содержания Си, вероятнее всего следует считать износ контактных проводов трамвайных и троллейбусных путей, которые изготавливаются из низколегированной меди или бронзы с небольшим содержанием магния, циркония, кремния или титана. При скольжении контактных графитовых вставок (троллейбус) или полозов с медными, алюминиевыми или угольно-графитовыми вставками (трамвай) провод истирается, на нем образуются оплавления, так что уже через 9 лег эксплуатации контактного провода на сети трамвая его сечение уменьшается на 25-30%. на сети троллейбуса сечение провода уменьшается на 15-16% через 14 лет эксплуатации (Афанасьев, 1988). О наличии одного постоянного источника загрязнения данным металлом говорит сильная корреляционная связь между его содержанием в различных органах и тканях растений: коэффициент корреляции между коркой ствола и корой ветвей липы, каштана и тополя пирамидального равен 0.88-0,94, между коркой ствола и листьями - 0,90-0,99, между корой ветвей и листьями - 0,78-0,98. Для тополя черного такая связь существует только между содержанием Си в коре ветвей и листьях (г=0,93). На наиболее загрязненных улицах сентябрьские значения содержания меди в корке ствола несколько ниже, чем июньские (рис. 22-25). Это может быть связано с тем. что в результате механического износа проводов медь оседает на растения в виде крупных фракций, которые накапливаются на поверхности ствола за зимний период и смываются летом ливневыми осадками. Эта тенденция сохраняется и для коры побегов, хотя разница между содержанием Си в эти два срока невелика. Интенсивность движения автомобильного транспорта также оказывает существенное влияние на загрязнение растительности медью. Так, существует сильная корреляционная связь (г=0,79-0,88) между загруженностью автотранспортом и содержанием Си в корке ствола и коре ветвей тополя черного (июнь); в корке ствола (оба срока наблюдения), коре ветвей и листьях (июнь) каштана конского. Для органов и тканей тополя пирамидально-осокоревого Камышинского такая связь либо отсутствует, либо является средней (г до 0,68) (табл. 15-18).
