Оценка эколого—геонимического состояния зон с высокой антропогенной нагрузкой

brief description

Содержание
Список таблиц 3

Список иллюстраций 5

Введение 7

Глава 1. Анализ опыта изучения городских почв и растений. 12

Глава 2. Природно-функциональная характеристика территории. 18

Глава 3. Методика эколого-геохимических исследований. 33

Глава 4. Особенности химического состава городских почв. 41

Глава 5. Геохимические особенности городской древесной 75

растительности.

Глава 6. Геохимическое картирование экологической обстановки 95

территорий по показателям перераспределения

микроэлементов в почвах и листьях деревьев.

Глава 7. Факторы риска угнетения растений на территории города 111

Заключение 124

Список литературы 126

Список таблиц

Таблица 1 Краткая геохимическая характеристика ландшафтов 25

Таблица 2 Промышленные зоны г.Москвы (в пределах МКАД) 31

Таблица 2а Региональный геохимический фон Московской области 36

Таблица 3 Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения по суммарному показателю концентраций аномальных

химических элементов 37

Таблица 4 Уровни обеспеченности почв элементами питания (подвижные формы, рН=4,8), мг/кг 39

Таблица 5 Щелочно-кислотные условия почв г. Москвы 42

Таблица 6 Содержание органического углерода в почвах г. Москвы 44

Таблица 7 Примеры распределения гумуса по профилю

городских почв 45

Таблица 8 Петрохимический состав (%) минеральной части корнеобитаемого слоя 49

Таблица 9 Емкость поглощения почв и состав обменных катионов почв г. Москвы * 53

Таблица 10 Средние содержания азота, фосфора и калия в верхнем горизонте почв города 59

Таблица 11 Распределение подвижных форм химических элементов в корнеобитаемом слое городских почв. 60

Таблица 12 Суммарное загрязнение почв г. Москвы

по величине Zc (1993 г.) 62

Таблица 13 Ассоциации элементов загрязнителей почв г.Москвы. 65

Таблица 14 Распределение ртути на территории города 67

Таблица 15 Распределение кадмия на территории города 67

Таблица 16 Распределение свинца на территории города 68

Таблица 17 Распределение цинка на территории города 69

Таблица 18 Распределение меди на территории города 71

Таблица 19 Химический состав листьев древесной растительности на фоновых участках Московской области 79

Таблица 20 Распределение микроэлементов в листьях липы и березы в зависимости от типа озеленения и зоны города 80

Таблица 21 Распределение микроэлементов в листьях деревьев в зависимости от их состояния 85

Таблица 22 Изменения соотношений химических элементов в листьях липы в зависимости от физиологического состояния деревьев 87

Таблица 23 Содержания химических веществ в корнеобитаемом слое городских почв, соответствующие нормальным условиям произрастания липы 92

Таблица 24 Перераспределение химических элементов в верхнем слое почв и листьев березы техногенных ландшафтов (Кс) 100

Таблица 25 Значения коэффициента биологического поглощения (Кб) на фоновых и городских территориях 109

Список иллюстраций

Рис 1. Ландшафтная карта Московской области. 19

Рис. 2 Схема природных и восстановленных ландшафтов

г.Москвы 22

Рис.3. Схема функционального зонирования г.Москвы 29

Рис. 4. Содержание воднорастворимых соединений в

почвах у магистралей по величине плотного остатка (%.) 54

Рис. 5. Распределение обменного Na в почвах около МКАД. 54

Рис. 6. Динамика распределения обменного натрия в

почве на Ленинградском шоссе 56

Рис. 7. Распределение обменного натрия в почве

на Кутузовском проспекте 56

Рис. 8. Суммарное загрязнение почв химическими элементами 64

Рис. 9. Примеры распределение суммарного показателя загрязнения в корнеобитаемом слое 74

Рис. 10. Геохимические спектры химических элементов в листьях городской древесной растительности 78

Рис. 11. Суммарное накопление и деконцентрация микроэлементов в листьях липы в зависимости от типа озеленения и зоны города 82

Рис. 12. Суммарное накопление (Zc) и деконцентрация (СПР) микроэлементов в листьях березы в зависимости

от уровня загрязнения почвы подвижными формами микроэлементов 83

Рис. 13. Изменение соотношения химических элементов в листьях липы в зависимости от состояния деревьев 83

Рис. 14. Изменение процента здоровых и умеренно ослабленных лип (кат. 0+1) в зависимости от рН среды, количества растворимых солей (по плотному остатку), содержания обменного натрия в

почвенном поглощающем комплексе, уровня загрязнения

почвы микроэлементами (по Zc). 90

Рис. 15. Изменение процента здоровых и умеренно ослабленных лип

(кат. 0+1) в зависимости от уровня загрязнения почвы микроэлементами. 91

Рис. 16. Распределение суммарного показателя концентраций (Zc)

в почвах центральной части Московской области. 97

Рис. 17. Распределение суммарного показателя концентраций (Zc)

в золе листьев березы центральной части Московской области. 98

Рис. 18. Распределение марганца в почвах центральной части

Московской области 102

Рис. 19. Распределение марганца в золе листьев березы 103

Рис. 20. Распределение коэффициента Кн приоритетных загрязнителей (Sn, Pb, Cr, W) в золе листьев березы 105

Рис. 21. Распределение коэффициента Кд элементов биофильной

группы (Mn, Zn, Co, В) в золе листьев березы 106

Рис. 22. Распределение коэффициента Кп золе листьев березы 107

Рис. 23. Распределение отношения Sn/Mn в золе листьев березы 108

Рис. 24. Факторы риска, влияющие на состояние городской

растительности 112

Рис. 25. Зоны риска угнетения растений от загрязнения

окружающей среды 113

Рис. 26. Зоны риска формирования скрытого загрязнения в почвах 117

Рис. 27. Распространение процессов засоления и солонцеватости

в почвах 121

Рис. 28. Распределение значений интегрального показателя

угнетения растений в результате комплексного техногенного

воздействия 122
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Общеизвестна важная положительная роль зеленых насаждений в оздоровлении экологической обстановки крупных городов и промышленных центров. Вместе с тем именно в городах в результате антропогенной деятельности созданы неблагоприятные условия жизни не только для человека, но и для растений. Зеленые насаждения на территории города зачастую не выдерживают существующего техногенного пресса, болеют и погибают.

Массовая гибель и резкое ухудшение состояния древесных насаждений в Москве в последние годы, большие финансовые затраты на восстановление погибших деревьев вызвали закономерную озабоченность городских властей, привлекли их внимание к состоянию дел в зеленом хозяйстве. По инициативе Правительства Москвы в 1997г. были начаты работы по программе мониторинга зеленых насаждений.

Мониторинг за состоянием зеленых насаждений невозможен без эколого-геохимической оценки состояния компонентов окружающей среды, в том числе почв и растений. Почва как основной источник минерального питания растений является прямым и главным поставщиком не только элементов питания, но и элементов-загрязнителей, которые в свою очередь становятся основной причиной заболевания и гибели городских насаждений. От состояния почв во многом зависит состояние и жизнеспособность растений, с другой стороны изучение биогеохимических особенностей городских древесных насаждений, их пороговой способности к сопротивлению негативному воздействию позволяет установить и использовать результаты исследований для оценки экологического состояния окружающей среды.

Результаты работы позволяют прогнозировать развитие экологической обстановки, что особенно важно для эффективного планирования и принятия

рациональных управленческих решений при проведении природоохранных, хозяйственных, социальных, медико-оздоровительных и других мероприятий.

Цель работы. Разработка критериев и технологии эколого-геохимической оценки состояния окружающей среды на урбанизированных территориях.

Основные задачи.

-Выявить особенности распределения химических элементов в почвах и растениях на урбанизированных территориях

-Изучить зависимость между физиологическим состоянием растений, микроэлементным составом листьев деревьев, химическим составом почв и степенью их загрязнения.

-Разработать показатель комплексный оценки состояния окружающей среды на урбанизированных территориях на основе биогеохимических исследований.

-Установить обоснованные пороговые значения содержаний химических веществ в городских почвах, обеспечивающих нормальное развитие деревьев.

-Разработать принципы районирования территории г.Москвы по оценке риска деградации растений.

Фактический материал. Основой работы послужили результаты анализов 5071 пробы почв и 1319 проб растений отобранных в Московском регионе в процессе:

- эколого-геохимического картирования почв на территории г.Москвы в масштабе 1:100000, 1993 г;

- многоцелевого геохимического картирования территории центральной части Московской области (лист N-37-II) в масштабе 1 .-200000, 1992-2000г.г.;

- детальных эколого-геохимических исследований состояния окружающей среды на площадках постоянных наблюдений в рамках московской городской программы «Мониторинг зеленых насаждений», 1997-2003 г.г.

Автор — ответственный исполнитель работ, принимал участие в разработке общего замысла работ, планов и методики исследований, участвовал в полевых

работах, занимался обработкой полученных материалов, анализом и интерпретацией результатов. Научная новизна

- На основе комплексного изучения почв г.Москвы дана их химическая, агрохимическая и эколого-геохимическая характеристики, показаны особенности распределения и поведения химических веществ в корнеобитаемом слое.

- Между физиологическим состоянием деревьев и соотношениями техногенных и биофильных элементов в золе листьев установлена значимая корреляционная связь.

-Выявлены граничные значения содержаний химических веществ в почвах, обеспечивающих нормальный рост и развитие деревьев на территории г.Москвы.

-Разработан показатель комплексной оценки экологической обстановки -суммарный коэффициент перераспределения (Кп), выраженный как отношение элементов накопления и деконцентрации в золе растений.

-Разработан способ прогноза изменения состояния древесных насаждений г.Москвы на основе оценки геохимических факторов риска деградации растений.

Практическая значимость. Проведена оценка эколого-геохимического состояния почв и древесной растительности на территории г.Москвы.

Составлены карты (схемы) районирования территории г.Москвы по геохимическим факторам риска деградации древесной растительности.

Результаты работ вошли в состав раздела «Охрана окружающей среды» Генплана развития г.Москвы до 2020г., использованы Московским земельным комитетом при создании системы государственного земельного кадастра города, послужили основой при разработке «Методики оценки ущерба, вызванного захламлением, загрязнением и деградацией земель г.Москвы».

Защищаемые положения

1. В городских почвах Москвы отчетливо проявляются два вида техногенного воздействия: загрязнение и преобразование. Загрязнение почв происходит в результате привнесения не свойственных им элементов, нарушения местами внутрипочвенных связей, не затрагивая при этом ведущих (зональных) геохимических процессов. Преобразование почв происходит в результате их полной деградации (эволюции) с коренным изменением консервативных показателей (валового состава, рН, почвенного поглощающего комплекса и др.). В результате этого в центральной части г.Москвы вместо дерново-подзолистых почв сформировались антропогенно-преобразованные нейтрально-слабощелочные, являющиеся карбонатным геохимическим барьером.

2. Физиологическое состояние городской древесной растительности определяется химическими свойствами почв: кислотно-щелочными условиями, содержанием гумуса и элементов питания, общим засолением и солонцеватостью, содержанием токсичных элементов. Установлены граничные значения для некоторых параметров, превышение которых приводит к ухудшению состояния деревьев или к их гибели.

3. Накопление и дефицит химических элементов в вегетативных органах древесной растительности являются следствием единого процесса антропогенного воздействия. Химический состав листьев березы на территории г.Москвы отличается от фоновых аналогов повышенным содержанием техногенных элементов (Sn, Cr, Pb, W) и недостатком биофильных (Mn, Zn, Co, Ва). Соотношение этих элементов выраженное через коэффициент перераспределения (Кп) характеризует экологическую обстановку территорий.

4. Геохимическими факторами риска деградации растений в городе являются: загрязнение атмосферного воздуха и почв токсичными веществами, засоление и солонцеватость почв. Районирование урбанизированных

ю

территорий по геохимическим факторам риска деградации растений позволяет спрогнозировать изменение состояния древесных насаждений.

Публикации и апробация работы. Выводы и основные результаты работы докладывались на 1, 2, 3 и 4 международных конференциях «Проблемы управления качеством окружающей среды» (Москва, 1996, 1997, 1998, 1999г.г.), на конференции "Автотранспортный комплекс и экологическая безопасность" (Москва, 1999г.), на Международном симпозиуме по прикладной геохимии стран СНГ (Москва, 1997г.), на ежегодных научно-практических конференциях «Проблемы содержания зеленых насаждений в г.Москве» (Москва, 1997-2003г.г.).

По теме диссертации опубликовано 26 научных работы. Автор принимал участие в написании разделов 9-ти научно-производственных отчетов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7-ми глав и заключения; изложенных на 136 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц и 28 рисунков. Список литературы насчитывает 112 наименований.

Автор выражает искрению благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н. Головину А.А. за внимание, доброжелательность и ценные консультации при выполнении работы. Особую глубокую признательность за помощь и плодотворную совместную работу автор выражает к.г.-м.н. Башаркевич ИЛ, к.г.-м.н. Морозовой И.А. и Соколову Л.С. Автор благодарит за консультации к.геогр.н. Трефилову Н.Я., за помощь в работе сотрудников ИМГРЭ Перфильеву В.В., Кашину Л.И., Елизарову Н.Н., Филину Т.Н., Капельку Н.А..

и

Глава 1. Анализ опыта изучения городских почв и растений.

Начало систематических исследований химического состава растений во взаимосвязи с химическим составом почв относится к 20-м годам нашего столетия, когда сформировалось прикладное направление геохимии биогеохимический метод поисков полезных ископаемых, теоретической основой которого являлись труды В.И. Вернадского, А.П. Виноградова, В.М. Гольдшмидта.

Большой материал по влиянию на химизм растений высоких концентраций металлов в почве получен при разработке и использовании биогеохимических методов поисков полезных ископаемых (Малюга, 1947, 1963; Поликарпочкин и др., 1964; Грабовской, 1965; Талипов, 1966, 1988; Ткалич, 1970; Беус и др., 1975; Ивашов, 1976, 1987; Ковалевский, 1984, 1991 и

ДР-)

Начиная с 70-х годов прошлого века в связи с проблемой загрязнения

среды городов и промышленных центров начали усиленно изучать распределение металлов в растениях и почвах. Исследованиями Goodman, Roberts, 1971 - Cannon, Anderson, 1971 - Smith, 1972, 1973 - Burkitt et ah, 1972 -Beavington, 1973, 1976 - Delcarte et ah, 1973 - Hampp, 1973 - Czarnowska, 1974, 1978 - Linzon et al., 1976 - Burton, John, 1977 - Gratani et al.,1999 и многих других авторов установлены концентрации в почвах и растениях многих металлов, выявлены растения индикаторы загрязнения среды металлами.

Концентрации и роль микроэлементов в растениях обобщены в работах Поликарпочкина и др., 1964; Власюка, 1969; Школьника, 1974; Ковальского, 1971, 1974; Ягодина, Верниченко, 1981; Кабаты-Пендиас, Пендиаса, 1989 и др.

Поведение тяжелых металлов в системе почва-растение рассматривалось в работах Ковды,1956; Обухова и др., 1980, 1990; Ильина, 1982, 1991, 1985, 2001; Илькуна, 1982; Покатилова, 1984; Алексеева, 1987; Ковалевского, 1969, 1991 и др.

12

Влияние промышленных комплексов и объектов на накопление тяжелых металлов растениями изучалось Добровольским, 1970; Дончевой, 1976; Ржаксинской, 1978, 1980; Аржановой, Елпатьевским, 1980; Тарабриным, 1970, 1980, 1982; Лепневой и др., 1987; Махониной, 1987; Барминой, 1990; Лязгуновой, Чертовым, 1990; Лариной и др., 1995; Валеевой, 2000; Манаенковым, 2002 и многими другими.

Изменение элементного состава растений под влиянием автотранспортного загрязнения рассмотрено Никифоровой, 1975, 1981; Берзиня, 1980; Бурковым, Моисеевым и др., 1992; Белоноговой, Литинской, 2001; Николаевой, Поршневой, 2001.

Влияние городской среды на химический состав растительности исследовалось Парибоком и др., 1978, 1981, 1982; Смирновой, 1978, 1980, Москаленко, 1989, 1992; Лукашевым и др., 1980; Никифоровой, 1991; Черненькой, 1992; Фроловым, 1993; Слепяном, 2001 и многими другими.

Изучались механизмы накопления металлов в растениях, распределение микроэлементов в растительных органах, зависимость химического состава растений от внутренних и различных внешних факторов, пороговые концентрации металлов и другие вопросы. Установлено, что на накопление микроэлементов в растениях влияет видовой состав и возраст, вегетационные циклы, климатические условия, плотность и специфика техногенной нагрузки. При этом зависимость элементного состава растительности от большинства факторов имеет сложный характер.

В монографии Беуса А.А., Грабовской Л.И. и Тихоновой Л.В. (1976),сделано обобщение физиологических и морфологических изменений в растениях, вызванных токсичностью металлов: серебра, кобальта, меди, железа, марганца, никеля, цинка и др., однако отсутствуют сведения о дозах, при достижении которых начинают визуально проявляться пороки развития.

Взаимоотношения концентраций элементов в сельскохозяйственных растениях (Г.Я. Ринькис, 1975) показали, что при умеренном недостатке или

13

избытке одного элемента, содержания других элементов могут противоположно изменяться. Парами таких элементов-антогонистов являются: Fe/Mn, Fe/P, K/Fe. Позже были установлены другие аналогичные пары элементов, ионы которых конкурируют при поглощении растениями: K/Cs, Cu/Zn, Mn/Na, К, Mg/Li и некоторые другие элементы.

Целенаправленные исследования почвенного покрова города Москвы насчитывают более трех десятилетий. В то или иное время изучением городских почв занимались почвоведы и геохимики МГУ им. М.В.Ломоносова, Всероссийского научно-исследовательского института минерального сырья им. Н.М.Федоровского (ВИМС), Института минералогии геохимии и кристаллохимии редких элементов (ИМГРЭ), Почвенного института им. В.В.Докучаева и др.: Строганова М.Н., Прокофьева Т.В., Николаев Ю.Н., Воробьев С.А., Балашова СП., Толкачев А.Е., Самонов А.Е. Большаков В.А., Кахнович З.Н., Водяницкий Ю.Н., Сает Ю.Е., Буренков Э.К., Смирнова Р.С., Игумнов Н.Я., Морозова И.Н., Ачкасов А.И., Соколов Л.С. и многие другие.

Следует отметить методический подход факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова (Строганова М.Н., Прокофьева Т.В.) опирающийся на комплексное профильное обследование почв (на глубину, по крайней мере, проникновения корней растений -1-2 м). Авторами впервые в России создана систематика городских почв, включая грунты и почвоподобные тела, позволяет оценить состав и структуру почвенного покрова, экологическое и инженерно-строительное состояние городских почв.

Почвы не только накапливают загрязнители, но и, являясь природным буфером, контролируют перемещение химических элементов и соединений в другие среды: атмосферу, гидросферу, растительность (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Алексеенко, Сериков, 1996). Аккумуляция тяжелых металлов почвами зависит от целого комплекса природных и техногенных факторов: характера почвообразующих пород, климата, рельефа, растительности,

14

расположения и особенностей техногенных источников загрязнения (Ковда 1985, Ивлев, 1986, Ильин, 1991; Прохорова, 1996; Прохорова, Матвеев, 1996).

Почва как основной источник минерального питания растений, является прямым и главным поставщиком как элементов питания, так и элементов-загрязнителей в городские насаждения (Леванидов, Давыдов, 1961; Ковальский, 1969; Добровольский, 1983, Ильин, 1985, 1991; Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).

На поступление тяжелых металлов в растения влияют такие факторы как: видовые особенности растений, тип почв, концентрация и состав загрязнителей, рН и гранулометрический состав, содержание гумуса, элементов питания, емкость поглощения. (Большаков и др., 1978; Алексеев, 1987; Ильин, 1991; Бойченко, 1976; Гринь и др., 1980; Дмитриев, 1989; Прохорова, 1996; и

ДР-)

Корреляция между содержанием тяжелых металлов в почвах и растениях

определяет необходимость разработки и нормирования допустимых содержаний тяжелых металлов именно в почве (Алексеев, 1987, Обухов, Ефремов, 1988; Пинский, Орешкин, 1991; Ильин, 1995). Перечень элементов, для которых разработаны ПДК крайне мал, а для древесной растительности они и вовсе отсутствуют.

Опыт биогеохимических исследований для оценки условий существования и состояния древесной растительности в селитебно-промышленных зонах значительно меньше. В г.Москве одна из первых работ, направленных на геохимическую оценку состояния окружающей среды и в частности древесных насаждений, была выполнена на территории лесопарка Лосиный Остров в 1977-1980 гг.(Р.С. Смирнова, Л.Н. Павлова, Н.Я. Игумнов, ИМГРЭ). Было установлено, что на элементный состав золы растений оказывают большое влияние видовой и возрастной состав растений, период отбора проб, погодные условия. Аномалии элементов в растениях не имеют прямой связи с уровнем загрязнения почв и атмосферы.

15

В 1987 г. по заданию НИиПИ Генплана г.Москвы выполнялась оценка устойчивости городской древесной растительности к техногенному загрязнению (Р.С.Смирнова, Н.Н.Москаленко). Работами установлено, что устойчивость к техногенному загрязнению почв падает в ряду: тополь-береза-липа. Для березы характерно максимальное извлечение металлов из почв. Особенно активно идет накопление в растениях свинца, олова, ванадия, стронция, серебра, кобальта, меди и цинка. Ряд элементов характеризуется концентрациями в деревьях ниже фоновых, в т.ч. некоторые жизнеобеспечивающие биофильные элементы: марганец, молибден, бор, фосфор и др. Реакция растений на техногенное загрязнение проявляется на трех уровнях: фитоценотическом, видовом и организменном. На финоценотическом уровне наблюдаются изменения фитоценоза по сравнению с фоном. На видовом уровне прослеживается деградация отдельных видов растений. На организменном уровне реакция растений выражается, прежде всего, в развитии фитопатологических заболеваний органов.

В 1989 г. (Р.С. Смирнова, Н.Н. Москаленко) при изучении лекарственных растений в г.Москве (липовый цвет, плоды рябины и шиповника) установили, что вдоль крупных автомагистралей и у завода черной металлургии в золе растений содержатся повышенные концентрации цинка, железа, иногда никеля и свинца. Для всех растений характерен дефицит марганца. В парках и садах уровень содержаний близок к фону. Установлен обратный порядок распределения в растениях железа и марганца. Отношение Fe/Mn позволяет оценить качества состояния окружающей среды, возрастая по мере усиления загрязнения и достигая максимума в зонах влияния крупных промышленных предприятий. В золе деревьев, растущих вдоль улиц с интенсивным движением автотранспорта, фиксируется увеличение концентраций свинца, меди, никеля, хрома других элементов.

При крупномасштабном биогеохимическом картировании на территории Калининского района г.Москвы (Н.Н. Москаленко, 1989) с отбором проб липы

мелколистной, по содержаниям элементов в золе оценивалось экологическая обстановка. По информативности к биоиндикации локальных источников загрязнения выделены следующие группы индикаторов: а) индикаторы - Ag, V, Sn, Pb; б) умеренные индикаторы-Cr, Ni, Mo; в) малоинформативные - Со, Zn, W. В зонах максимальных аномалий элементов в почвах проявляется процесс деконцентрации у элементов биологического типа, таких как Mn, Sr, Ba, Си. Развитие отрицательных биогеохимических аномалий в вегетативных органах деревьев вызывается интенсивностью интегрального загрязнения почв химическими элементами и подавлением процессов биологического поглощения жизненно важных элементов. В таких зонах геоботаническими наблюдениями были установлены морфологические изменения листьев липы (хлороз молодых листьев, пятнистый некроз, повышение ломкости листьев и

др.).

17

Список литературы