Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1.1. Влияние автотранспорта на загрязнение придорожных почв свинцом 8
1.2. Химические особенности поведения свинца в почвах загрязнённых ландшафтов... ...14
1.3. Некоторые особенности экологии и биологии дождевых червей 18
1.4. Влияние тяжёлых металлов на популяции дождевых червей 27
1.5. Накопление свинца в тканях люмбрицид 32
Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 34
Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ ПОЧВ И СНЕГОВОЙ ВОДЫ ПРОБНЫХ ПЛОЩАДОК 39
3.1 «Птичья гавань» 40
3.2. Придорожная полоса вдоль ул. 33 Северная ...43
3.3. Придорожная полоса вдоль ул. Красный Пахарь 46
Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОПУЛЯЦИЙ ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЕЙ 47
4.1. Видовой состав 47
ь 4.2. Численность взрослых (поисковых) особей 55
4.3. Сырая и сухая масса 59
4.4. Возрастной состав 64
4.5. Вертикальное распределение в почве 74
4.6. Накопление свинца в тканях дождевых червей 81
V ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 83
ВЫВОДЫ 90
ПРЕДЛОЖЕНИЯ 92
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 93
ПРИЛОЖЕНИЯ 117
- Влияние автотранспорта на загрязнение придорожных почв свинцом
- Придорожная полоса вдоль ул. Красный Пахарь
- Вертикальное распределение в почве
Введение к работе
Актуальность темы. В результате интенсивного движения транспорта вдоль
(.' автомагистралей образуются техногенные аномалии, в первую очередь, по
V содержанию в почвах свинца (Никифорова, 1977, 1981; Савельева, 1980;
Макаров, Полунин, 1983; Попова, Попов, 1983; Золотарёва, 1984; Кавтарадзе с
соавт., 1984; и др.). Этот элемент в настоящее время является одним из
наиболее опасных загрязнителей благодаря высокой токсичности и широкому
| распространению (Гильденскиольд с соавт., 1992). В России производится
около 50 тыс. тонн свинца (Лисин, Юсфин, 1999). Основным источником
1 * загрязнения данным металлом среды в нашей стране является автотранспорт,
использующий свинец-содержащий бензин (Добровольский, Савельева, 1978;
Никифорова, 1981; Майстренко с соавт., 1996, 2000). Ежегодно в придорожной
полосе оседают более полутора тысяч тонн соединений этого металла в городах
и посёлках и приблизительно такое же количество вне населённых пунктов
> (Никифорова, 1977).
Для исследования почвенного покрова, подвергшегося воздействию данного загрязнителя, необходимо изучение биологической составляющей (Садовникова, Зырин, 1985; Гельцер, 1986; Гапанюк с соавт., 1987; ВаЙнер с соавт., 1988; Волкова, Самойлова, 1992; Евгеньев, 1999; Ковальчук с соавт., 2002 и др.). Связано это с тем что, в отличие от методов физико-химического контроля, биологический анализ позволяет выявить не только степень и интенсивность влияния, но и проследить динамику деградации экосистемы во времени и пространстве (Пястолова с соавт., 1989). Также результаты физико-химического мониторинга очень трудно перевести в биологические величины, а, следовательно, предусмотреть опасность для человека (Криволуцкий, 1985).
'**
Среди обитателей почвы в наибольшей степени требованиям к выбору
* биоиндикаторов отвечают дождевые черви (Перель, 1958; Коробов, Гельцер,
1976; Гиляров, Покаржевский, 1983; Криволуцкий, Фёдоров, 1984; Чумаков,
1988 и др.). Заглатывая грунт, они соприкасаются с загрязнителями изнутри, а не только снаружи (Гиляров, 1978). Эти животные многочисленны, оседлы, с малым индивидуальным участком обитания. Они обладают сравнительно крупными размерами, что удобно для анатомирования. Их обмен веществ и размножение интенсивны, а жизнь достаточной для исследования продолжительности (Криволуцкий, 1985). Можно утверждать, что люмбрициды отвечают всем требованиям к выбору биоиндикаторов, сформулированных Э. Новаковой с соавт. (1983) и Д.А. Криволуцким (1985).
Изучением действия тяжёлых металлов на дождевых червей занимались многие учёные. Однако они исследовали популяции люмбрицид в ситуациях промышленного загрязнения (Gorny, 1975; Rhee, 1977; Bengtsson et al., 1983; Бессолицина, 1987; Богач с соавт., 1988; Дончева, 1992 и др.) или же в лабораторных условиях (Beyer, 1981; Roberts, Dorough, 1984; Bengtsson et aL, 1986 и др.). При этом, как мы уже писали, основным источником попадания в окружающую среду свинца являются выхлопные газы автотранспорта.
Все выше перечисленные данные определили необходимость наших исследований.
Цель и задачи исследования. Цель данной работы заключалась в комплексном анализе влияния различных концентраций свинца на популяции дождевых червей, обитающих в придорожных зонах. Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
Установить количество свинца, кадмия, ртути, меди и цинка в исследуемых почвах.
Изучить удельный вес почвы, структурный и гранулометрический состав, количество гигроскопической воды, содержание гумуса, рН солевой, ёмкость катионного обмена образцов, катионно-анионный состав водной вытяжки.
Определить видовой состав, численность и плотность популяций, возрастную структуру, влажную и сухую массу, вертикальное
распределение дождевых червей в зависимости от концентрации подвижных
форм свинца в среде обитания, содержания гумуса и кислотности почвы.
* 4. Проанализировать накопление свинца различными видами дождевых
и червей.
Научная новизна. С помощью трёхфакторного дисперсионного анализа выявлено достоверное влияние содержания подвижных форм свинца в почве на количество видов, возрастных групп, численность и массу дождевых червей. Показаны закономерности изменения ряда показателей популяций дождевых червей в зависимости от количества свинца в среде обитания. Впервые
. определён видовой состав, сравнительная численность и плотность, семейства
Lumbricidae придорожных полос г. Омска. Установлены возрастная структура популяций, сырая и сухая масса дождевых червей. Изучена пространственная динамика вертикального распределения люмбрицид по горизонтам почвы в
* период минимальных естественных миграций.
Выявлены межвидовые различия в накоплении свинца дождевыми червями. Установлена обратная корреляционная связь между содержанием подвижных форм свинца в почве и накоплением его в тканях Е. nordenskioldi. Практическая значимость работы. Выявленные высокие обратные корреляционные зависимости между концентрацией в почве свинца и количеством видов, возрастных групп, численностью, массой и вертикальным распределением популяций дождевых червей, позволяют рекомендовать использование видов Eisenia nordenskioldi и Octolasium lacteum в качестве
* индикаторов состояния почв придорожных экосистем.
Выполнен комплексный анализ почв ряда территорий г. Омска,
* прилегающих к автомагистралям. В частности исследовано состояние земель
«Птичьей Гавани» - уникального памятника природы. Эти данные могут быть
применены в дальнейших работах, проводимых на этих площадях.
Материалы диссертации используются в учебном процессе при чтении лекций по курсу «Особенности экологии г. Омска и Омской области», а также
при проведении экологической практики у студентов химико-биологического факультета Омского государственного педагогического университета (см. приложение № 7)
Апробация работы. Результаты исследований представлены на научно-практической конференции «Изучение экосистемы природного парка ««Птичья Гавань»» (Омск, 2002), на II международной конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2002), на всероссийской конференции «Химическое загрязнение среды обитания» (Пенза, 2003), на всероссийской конференции «Проблемы биологической науки и образования в педагогических вузах» (Новосибирск, 2003), на I международной научно-практической конференции «Животные в антропогенном ландшафте» (Астрахань, 2003).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 5 статей.
и На защиту выносятся следующие положения
1. Накопление подвижных форм свинца в почве оказывает существенное
влияние на видовой состав, численность, плотность, массу, возрастную структуру популяций и вертикальное распределение семейства Lumbricidae.
2. Накопление свинца в тканях дождевых червей видоспецифично и зависит
от содержания подвижных форм металла в почве.
Влияние автотранспорта на загрязнение придорожных почв свинцом
Автомобильный транспорт выбрасывает в воздух до 200 различных химических веществ (Никифорова, 1981). По данным зарубежных исследователей почвы придорожных зон содержат в 10 - 100 раз больше свинца, цинка и кадмия (Keller, 1974; Olson, Skogerboe, 1975; Kaule et al., 1988). Тогда как российские учёные подчёркивают, что территории, прилегающие к автомагистралям, загрязнены в основном только по свинцу (Алешукин, 1978; Никифорова, 1981; Самойлова, 1990).
Данный металл присутствует в отработанных газах в виде галогенидных солей, оксикарбонатов, карбонатов, оксидов, хлоридов, бромидов, сульфатов и сульфидов (Olson, Skogerboe, 1975; Little, Wiffen, 1978; Самойлова, 1990). Все эти вещества образуются преимущественно при разложении антидетонатора — тетраэтилсвинца, добавляемого в бензин. Мировой автомобильный парк ежегодно выбрасывает в атмосферу в виде диспергированных аэрозолей 260 тыс. т свинца (Добровольский, Савельева, 1978; Boutron, 1988). Среднее суммарное поступление элемента в атмосферу на территории России от того же источника составляет более 4 тыс. т в год (Лисин, Юсфин, 1999). Установлено, что при расходе бензина 10 л на 100 км и интенсивности движения 25 тыс. автомобилей в сутки выбросы свинцовых соединений составляют от 500 до 750 г/кг (Little, Wiffen, 1978).
От 9 до 50 % выбрасываемого металла оседает вдоль дорог в полосе шириной до 30 - 100 м (Бериня с соавт., 1980, 1983, 1989; Шарковскис, Никодемус, 1989; Тютюнова, 1993 и др.). Образующиеся при сгорании бензина частицы размером более 9 мкм осаждаются на расстоянии 5 м от обочины дорог. Они относительно инертны с геохимической точки зрения. Более мелкие частицы оседают медленнее и разносятся на расстояние до 100 м от автотрасс. Они геохимически более активны. Остальное количество остаётся длительное время во взвешенном состоянии и распространяется на большие расстояния (Little, Wiffen, 1978). По данным Ф.И. Тютюновой (1993) шлейф загрязнения может простираться до 1,5 км, а на микроуровне — до 3 км. Возможно, это объясняется тем, что доля свинца, находящегося в виде субмикрочастиц превышает 50% (Бериня, Калвиня, 1989; Скибинская, 2002),
Результаты исследований В.А. Михайлова с соавт. (1980) (в кн. Свинец в окружающей среде, 1987) показали, что среднесуточные концентрации свинца в районе обочины транспортных зон разной интенсивности составляют 0,03 — 6,4 мкг/м3, что в 5 - 1060 раз больше этих же показателей заповедников пригородных районов.
Концентрация металла в воздухе придорожных экосистем зависит от интенсивности движения автомобилей, типа автомобиля, скорости и направления ветра, особенностей рельефа и наличия лесозащитной полосы (Никифорова, 1975; Davies, 1980; Добровольский, 1980, 1983; Boutron, 1988; Шарковскис, Никодемус, 1989 и др.). Расчленённость рельефа в первую очередь влияет на аэрозольные формы свинца. Холмистый и горный рельеф задерживает твёрдые частицы (Тютюнова, 1993). Кроны деревьев активно задерживают крупные и средние частицы аэрозолей, в меньшей степени парогазовую фазу и субмикронные аэрозоли (Макаров, Полунин, 1983). Защитная роль древесной растительности особенно показательна на примере лиственных пород. Исследования Ф.И. Тютюновой (1993) показали, что весной, когда крона у деревьев лиственных пород отсутствует, содержание в воздухе свинца превышает фоновые показатели на более значительном расстоянии. Летом крона сокращает дальность переноса загрязнителей. Жидкие атмосферные осадки значительно сокращают дальность переноса тяжёлых металлов в парогазовой фазе, а твёрдые — аэрозолей (Макаров, Полунин, 1983).
Для анализа количества выпадений элемента за определённый период используют исследования снеговой воды (Дончева с соавт., 1982; Василенко с соавт, 1985; Бериня, Калвиня, 1989 и др.). В результате работ Д.Ж. Бериня и Л.К. Кал виня (1989) было установлено, что у края дороги III категории в Латвии средняя масса выпадений свинца составляет 475 мкг/м мес. С уменьшением расстояния от дороги это количество меняется до 157 — 200 мкг/м мес. — в 50 - 100 м от автострады. По данным других зарубежных учёных, этот показатель на 1 - 2 порядка выше (Little, Wiffen, 1978; Boutron, 1988). В килограмме пыли, выпадающей у автомагистрали, содержится от 300 до 4000 мг свинца (Свинец в окружающей среде, 1987). Общая пылевая нагрузка в г. Омске колеблется от 6 до 1260 кг/км сут. при средних значениях выпадения 100 - 450 кг/км сут. Выпадение свинца насчитывает от 200 до 39660 мг/км сут. При среднем объёме 5100- 17000 мг/км (Красницкий, 1998, 1999).
Весной, при таянии снега, происходит некоторое перераспределение компонентов выпадений в биогеоценозе, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Это в значительной мере зависит от физико-химических свойств соединений свинца. Поэтому при изучении количества металла в снеговой воде, ряд исследователей анализирует также твёрдую фракцию (Василенко с соавт., 1985; Boutron, 1988; Бериня, Калвиня, 1989; Воробейчик, 1994). Это даёт некоторое представление о суммарной растворимости соединений металла. Легкорастворимые формы через листья адсорбируются в растения (Dabrowska-Prot, 1984), вступают в обменные реакции с почвенно-поглощающим комплексом (Бериня с соавт., 1980), а труднорастворимые - остаются на поверхности и могут переноситься в более глубокие слои в результате жизнедеятельности мезофауны (Воробейчик, 1994). При определённых метеорологических условиях легкорастворимая фракция может перемещаться как в горизонтальном направлении - по поверхностному слою почвы, так и с инфильтрационными водами - вглубь (Norrish, 1975; Химия тяжёлых металлов, мышьяка и молибдена в почвах, 1989). Доля труднорастворимой фракции, по данным Д.Ж. Бериня и Л.К. Калвиня (1989), составляет 75 - 76% вблизи от дороги и 53% на расстоянии 75 — 100 м от автомагистрали.
" Загрязнение почв металлами происходит в результате их поступления из атмосферы в виде сухих выпадений и с осадками (Бериня с соавт, 1980, 1983;
Boutron, 1988). Загрязнение грунта наблюдается до глубины 40 см, при этом 57 - 74% свинца концентрируется в слое 10 см и только 3 — 8% мигрирует до глубины 30 - 40 см (Little, Wiffen, 1978; Agravai et al., 1980 и др.). Накопление металла в асфальтобетонном покрытии дорог происходит в первые четыре года, затем весь оседающий свинец смывается сточными водами (Скибинская, 2002). По данным Ю. Фостнера и Г. Уиттмена (Fostner, Wittman, 1979) в талом стоке автострад содержится до 8500 мкг/л РЬ.
Придорожная полоса вдоль ул. Красный Пахарь
Улица Красный Пахарь пересекает 33 Северную и отличается от неё только интенсивностью движения автотранспорта (см. приложение 4). Поэтому почвы здесь оказались того же типа и химического состава, что и на предыдущей площадке. Различие заключалось в меньшей степени засоленности придорожной полосы и меньшей нагрузке валовых количеств цинка и меди. Подвижные формы свинца содержались в данных землях практически в том же количестве, что и на 33 Северной - 1,12 - 17,60 мг/кг, увеличиваясь по мере приближения к дороге.
Анализ снеговой воды показал, что современное загрязнение снега практически отсутствует. Содержание свинца как в профильтрованной, так и в нефильтрованной воде лишь немного превышало фоновые значения (см. приложение 2, таблицу 15). По всей видимости, загрязнение свинцом на данной исследовательской площадке носит реликтовый характер.
Среди растительности на данной территории в придорожной зоне доминировали овёс пустой, на более отдалённых площадках — звездчатка средняя. Встречались также лебеда раскидистая, лопух паутинистый, одуванчик лекарственный. Среди деревьев были распространены клен платановидный и вяз гладкий.
Вертикальное распределение в почве
В «Птичьей Гавани» на площадке, расположенной на расстоянии 770 м от дороги, большая часть люмбрицид находилась в верхнем горизонте почвы — 23,6 ± 1,53 экз. или 90,32%. В горизонте АВ (10 — 20 см) было обнаружено лишь 1,1 ± 0,32 экз. или 4,32%. На глубине 20 — 50 см было найдено 1,4 ± 0,25 экз., что соответствовало 5,36%. Соотношение численности дождевых червей в различных горизонтах почвы на расстоянии 500 и 300 м от автострады сохраняло подобную структуру (см. рис. 22).
Рис, 22. Соотношение численности дождевых червей в различных горизонтах почвы Птичьей Гавани на расстоянии 500 м от дороги
Начиная с 200 м от дороги (индекс токсической нагрузки составлял 1,70) уменьшалось число червей, обитающих в верхнем горизонте почвы, до 75,90% (Р 0,001) и увеличивалось количество животных, находящихся преимущественно на глубине 20 — 30 см до 14,05% (Р 0,001). Подобное процентное соотношение люмбрицид встречалось на площадках, расположенных в 150, 70, 60, 50 и 30 м от автострады.
На пробных площадях, находящихся в 100, 40, 20 и 10 м от автомагистрали в горизонте А обитало 66,22 - 68,75% дождевых червей, 14,69 - 20,51% обнаруживалось на глубине 10 — 20 см и 12,82 — 17,78% в нижних слоях почвы. В наиболее загрязнённых землях 62,50% животных приходилось на верхний горизонт и по 18,75% на более нижние.
Корреляционная зависимость между процентом люмбрицид, находящихся в горизонте А и индексом токсической нагрузки этой части почвы, составила -0,72 ± 0,20 (Р 0,01). Линейное уравнение регрессии имело при этом следующий вид:
Эмпирический коэффициент корреляции между процентом животных, обнаруженных на глубине 10 - 20 см и количеством подвижных форм свинца, находящихся в этом пласте грунта, составлял 0,59 ± 0,28 (Р 0,05). Отражение этой зависимости представлено в рис. 23, Линейный тренд был построен с помощью следующего уравнения:
Y = 0,61x + 10,82, X - 0,82у + 7,29.
На глубине 10 - 20 см на площадках с индексом токсической нагрузки до 1,79 были встречены два вида люмбрицид: О. lacteum и L. rubellus. Численность второго была невелика и составляла, например, 0,4 ± 0,25 экз. на одну пробу в 770 м от дороги или 0,29 ±0,18 экз. в 150 м от автострады. На остальных
Зависимость процента дождевых червей, обнаруженных на глубине 10 - 20 см от содержания подвижных форм свинца в почвах «Птичьей Гавани»
В придорожной полосе улицы 33 Северная с увеличением токсической нагрузки изменялось вертикальное распределение люмбрицид в почве (см. рис. 24). На самой чистой площадке 80,64% приходилось на червей, обитающих в верхнем горизонте почвы, 9,68% - на животных, обнаруженных на глубине — 10 — 20 см, и столько же — на обитателей нижних горизонтов почвы. При приближении к источнику загрязнения уменьшалась доля верхнеярусных люмбрицид до 45,45%, при этом процент червей, найденных на глубине 10-20 см и 20 - 50 см не сильно отличался друг от друга (см. таблицу 5).
На глубине 10 - 50 см встречался преимущественно О. lacteum. Лишь в одной пробе на площадке, расположенной в 7 м от дороги, обнаружен один экземпляр Е. nordenskioldi.
