Экобиоиндикационная оценка изменений городской среды под влиянием текногенеза

Краткое описание

Введение... 1

Глава 1. Общие теоретические положения экобиоиндикационных

исследований... 7

1.1. Основные направления исследований экологического состояния урбогеосистем... 7

1.2. Методологические положения экобиоиндикации... 13

Глава 2. Методика исследований... 20

2.1. Методы полевых исследований... 20

2.2. Методы камеральных исследований... 25

Глава 3. Физико-географические условия исследованной территории 31

3.1. Геология и рельеф... 32

3.2. Климат... 35

3.3. Гидрография... 40

3.4. Почвы и растительность... 42

3.5. Экологическая обстановка... 51

Глава 4. Экобиоиндикационная оценка исследованного района 60

4.1. Оценка функционального состояния зеленых насаждений 60

изученного района...

4.1.1. Значение зеленых насаждений в условиях урбогеосистем 60

4.1.2. Структура и видовой состав зеленых насаждений... 63

4.1.3. Ответные реакции зеленых насаждений на техногенные факторы... 69

4.1.4. Оценка экологического состояния городской среды на основе биологических реакций зеленых насаждений... 72

4.2. Биогеохимические критерии оценки экологического состояния городской среды... 87

4.2.1. Биогеохимические особенности фонового эталона 87

4.2.2. Тяжелые металлы в почвах городского эталона... 98

4.2.3. Тяжелые металлы в растениях... 109

4.3. Эколого-биогеохимическая оценка здоровья детского населения городского эталона... 129

4.3.1. Медико-демографические показатели здоровья населения 131

4.3.2. Свинец и кадмий в биосубстратах детского населения... 141

Глава 5. Зонирование изученной территории по степени экологической напряженности на основе оценочных

экобиоиндикационных критериев... 153

Заключение... 174

Литература... 176

Приложение... 194
Введение

* Введение

Актуальность исследований.

На регионально-природном биогеохимическом (и геохимическом) фоне города представляют собой особые техногенные провинции, являющиеся очагами концентрации веществ и энергии, поступающих с транспортными и природными потоками (сырье для промышленности, продукты питания, поставка электроэнергии и пр.). Это приводит к значительному повышению концентраций химических элементов, включая тяжелые металлы, в атмосферном воздухе, почвах, водах, биоте и в конечном итоге к формированию техногенных геохимических (и других) аномалий на территории города.

Многие из тяжелых металлов при аномальном содержании являются высоко токсичными для всех живых организмов, в том числе и для человека. Следовательно, техногенные выбросы, поступающие в окружающую среду, становятся постоянно действующим экологическим фактором, оказывающим негативное воздействие на здоровье населения в промышленно-городских агломерациях. Среди причин, определяющих неполноценность здоровья населения, на экологическое неблагополучие среды обитания приходится 20% (Протасов, 1999, Худолей 1996), из них геохимическая обусловленность является основной причиной многих болезней человека, что показано в ряде трудов выдающихся ученых-биогеохимиков (Вернадский, 1940; Виноградов, 1949а; Ковальский, 19746) и их учеников (Ермаков, 1999; Сусликов, 2000 и др.). Изучение городов как своеобразных эколого-географических систем (урбогеосистем) становится актуальной проблемой современности.

Санкт-Петербург, являющийся вторым по величине городом России после Москвы, - самый северный город в мире с многомиллионным населением. Для него характерна развитая промышленно-транспортная инфраструктура, что обусловливает необходимость объективной оценки современного экологического состояния исследованной территории.

2

Критериальный анализ результатов оценки экологического состояния урбогеосистем наиболее эффективен при сопряженном исследовании фоновой и городской территорий, сходных в ландшафтно-геохимическом отношении. Единая методологическая и методическая основа дает возможность оценить интенсивность трансформации природных геосистем под влиянием техногенного пресса.

Наиболее перспективным подходом в этой связи является метод экобиоиндикации. По своей сути биоиндикация представляет собой яркое проявление обратных связей в урбогеосистемах на разных уровнях ответных реакций растительных сообществ, являющихся их ведущим функциональным компонентом, и играющих в них стабилизирующую роль.

Биоиндикация в наибольшей степени позволяет реализовать комплексный подход для оценки экологического качества среды, выражающийся в сопряженном анализе зеленых насаждений, биосубстратов человека, почв, воздуха. Что дает возможность в представленной работе объективно оценить экологическое состояние городской среды.

Фундаментальный анализ литературы на основе каталога Мак-Кюзика на 05.05.2002 г., проведенный М.А. Ришем (2003), показал, что 13577 наследственных синдромов и болезней человека вызывают нарушения обмена микроэлементов. В свою очередь, это приводит к нарушению (изменению) их роли в передаче генетической информации.

Биогеохимическая индикация как основной блок биоиндикации выявляет вклад экологического фактора в нарушении обмена микроэлементов.

Несмотря на важность экологических проблем глобального масштаба, особую актуальность приобретает крупномасштабное исследование реального фактического загрязнения, отражающее условия проживания населения городов.

Критерий оценки исследования промышленного района, проведенного на основе комплексного метода биоиндикации, послужил для разработки превентивных мер по оптимизации городской среды в зонах экологического

риска и минимализации негативного воздействия на здоровье проживающего там населения, и в первую очередь, детей дошкольного возраста. •

Всем вышесказанным и определяется актуальность выполненной работы.

Цель и задачи.

Цель проведенных исследований состояла в оценке экологического состояния городской среды методами биоиндикации (биогеохимической и экспрессной индикации), позволяющей охарактеризовать интенсивность трансформации природных геосистем под влиянием техногенного воздействия.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

- выявление биогеохимической структуры фоновой катены элементарных ландшафтов-аналогов как исходного параметра при биоиндикации интенсивности техногенного воздействия на городскую среду;

- экспрессная оценка функционального состояния зеленых насаждений, как наиболее чуткого компонента урбогеосистем промышленного района, по комплексу физиономических ответных реакций;

- определение уровней содержания тяжелых металлов в растениях и почвах города;

- определение РЬ и Cd, как наиболее опасных загрязнителей, в биосубстратах детей, проживающих в исследуемом районе, и выявление корреляционной зависимости между уровнями концентраций свинца в биосубстратах и в почвах;

- обоснование критериев оценки интенсивности трансформации урбогеосистем и осуществление экологического зонирования территории на их основе.

4

Научная новизна. В ходе работы над темой :

— проведено комплексное исследование зеленых насаждений изученного района и апробирован экспрессный фитоиндикационный метод оценки экологического состояния городской среды;

— обоснованы критерии степени трансформации урбогеосистем по отношению к фоновым ландшафтам - аналогам;

— впервые использован метод сводных показателей для оригинального комплекса параметров при экологической оценке состояния исследованной территории;

— впервые осуществлено крупномасштабное экологическое зонирование исследованной территории по степени опасности среды обитания для здоровья городского населения.

Практическая значимость:

— проведенное экологическое зонирование дает возможность районной администрации разработать меры по улучшению качества жизни населения, проживающего в зонах экологического риска;

— предлагаемая принципиальная схема комплексного исследования городской среды, включающая последовательность этапов и получаемые показатели оценки может быть использована в мониторинговых исследованиях;

— наиболее эффективным и экономически выгодным мероприятием оптимизации среды в зонах экологического риска является формирование рациональной структуры зеленых насаждений из видов деревьев и кустарников, устойчивых к неблагоприятным факторам городской среды.

Защищаемые положения.

— экобиоиндикация позволила получить комплекс параметров, являющихся основой для разработки подходов к многокритериальной

5

оценке антропогенного изменения городской среды методом сводных показателей;

- высокий уровень содержания химических элементов в городских растениях и изменения эволюционно сложившегося соотношения химических элементов, в частности железа и марганца, индицируют степень техногенного воздействия на биоту и служит критерием трансформации урбогеосистем;

— показано, что большая часть территории Кировского района находится в экологически опасных зонах , выделяемых на основе комплекса сопряженных индикационных параметров, включая и уровни содержаний тяжелых металлов в биосубстратах человека.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на Третьей Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, май 1998), всероссийской научной конференции «Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (Санкт-Петербург, 1999), международной научной конференции «Экологические и метеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (Санкт-Петербург, 2000), конференции (Новороссийск, 2001), международной научной конференции «Экологическая ботаника: наука, образование, прикладные аспекты» (Сыктывкар, 2002), IY Российской биогеохимической школе «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Москва, 2003).

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю кандидату географических наук, доценту М.Д. Уфимцевой за многолетнюю помощь и внимание. Автор признателен к.г.-м.н. Л.П. Коробейниковой, к.г.н. Н.В. Терёхиной, сотруднику кафедры биогеографии и охраны природы Д.А. Каёхтину за помощь в подготовке диссертации. Автор благодарен также

6

заведующему кафедрой биогеофафии и охраны природы проф. А. С. Федорову и проф. К.М. Петрову за благожелательность и внимание в период подготовки диссертации к защите.

Работа выполнена при поддержке фанта категории «Кандидатский проект» по направлению «Науки о Земле» Санкт-Петербургского Государственного Университета (М98-2.7-918, 1998 г.) и гранта Министерства образования Г - 10-15 (2000-2002 гг.).

V*»

7

Глава 1. Общие теоретические положения экобиоиндикационных

исследований

1.1. Основные направления исследований экологического

состояния урбогеосистем

Исследования трансформации природных геосистем в связи с интенсивной урбанизацией унаследовали те традиционные области знаний, которые сложились в науках о биосфере, в первую очередь геолого-географического цикла и биологии, заменив в них прежние приоритеты экологической парадигмой. Особую актуальность экологическая направленность исследований приобрела в городах-миллионерах, мегаполисах и других промышленных агломерациях. Ведущим фактором их функционирования стало мощное антропогенное воздействие на исходные природные геосистемы, преобразовавшие их в урбогеосистемы. Понятие геосистемы сформулировано В.Б. Сочавой (1978) - любые физико-географические образования от фации до географической оболочки Земли. Это особого рода материальная система, состоящая из взаимообусловленных географических компонентов, взаимосвязанных в своем размещении и развивающихся во времени как части целого.

Необходимо охарактеризовать, что представляет собой город как урбогеосистема. Город - сложная, полиструктурная, территориальная, открытая, энергетически субсидируемая геохимически аккумулятивная, управленческая система (Одум, 1986), включающая три подсистемных блока -природный, инженерно-технический, демопопуляционный (Макаров, 2001). Принимая приведенные выше определения за основу, в настоящей работе мы

8

рассматриваем город как единую урбогеосистему со сложившейся пространственно-временной инфраструктурой. При этом само качество среды и воздействующие на него факторы представляют собой единый функциональный комплекс. Факторы, определяющие экологическое состояние городской среды и, следовательно, самой урбогеосистемы, можно свести к трем блокам (Мауринь и др., 1989):

1. факторы отрицательного воздействия (загрязнение воздуха, вод, почв, отходы, шум);

2. компенсирующие факторы (озелененность территории, водные пространства, рекреационный потенциал);

3. факультативные факторы (планировка, микроклимат). Следовательно, негативное воздействие на городскую абиотическую

среду и биоту, включая человека, в основном связано с загрязнением химическими веществами, что определяется понятием "техногенез" - впервые сформулированным в 1924 году А.Е. Ферсманом (1959). А.Е. Ферсман предсказывал усиливающие масштабы воздействия на природу этого процесса. В.И. Вернадский (1980) также указывал, что антропогенная деятельность человечества по своим последствиям становится сравнимой с геологическими процессами. Мощность зоны техногенеза по имеющимся данным в отдельных регионах достигает 7,5 км (Ермаков, 2003).

На природном фоне крупные промышленные города по интенсивности и площади аномалий химических элементов-загрязнителей представляют собой техногенные геохимические и биогеохимические провинции с новыми биогеохимическими процессами обмена энергией и веществ (Перельман, Касимов, 1999). Одновременно города выступают мощными источниками техногенных веществ, включающихся в региональные миграционные циклы.

Все вышесказанное обусловило применение разных подходов к оценке интенсивности загрязнения городской среды. Одним из ведущих является ландшафтно-геохимический метод (экогеохимический). Его суть заключается в изучении закономерностей миграции, концентрации и рассеивания химических

9

элементов в транзитных и депонирующих компонентах урбогеосистем (почвы, снег, поверхностные воды, донные отложения, растения, микроорганизмы, население города). Метод основан на фундаментальных работах М.А. Глазовской (1964, 1988), А.И. Перельмана (1975), В.В. Добровольского (1966, 1983), Н.С. Касимова (1980), В.А. Снытко (1983), И.А. Авессаламовой (1986), Н.П. Солнцевой (1996), Перельмана, Касимова 1999 и многих других исследователей. Ландшафтно-геохимическая модель стала широко использоваться при решении различных теоретических и практических задач, включая выявление техногенных аномалий. Вышедшая под редакцией академика РАН Н.С. Касимова монография "Экогеохимия городских ландшафтов" (1995) отражает особенности формирование техногенных аномалий в крупных промышленных городах.

Роль геохимических условий природной среды (уровень концентраций химических элементов и их соотношение) как экологического фактора, обусловливающего возникновение биогеохимических эндемий у живых организмов, включая человека, нашла выражение в учении А.П. Виноградова о биогеохимических провинциях (Виноградов, 1938, 1949а, 1960). Им, в частности, раскрыты причины происхождения уровской болезни в Забайкалье, распространения зоба и так называемой "болезни обработки злаков" (Виноградов, 1939, 1940, 1946, 19496). Дальнейшие исследования нарушения обмена веществ и возникновение биогеохимических эндемий у растений, животных и человека в естественных биогеохимических провинциях получили широкое развитие в работах многих ученых (Ковальский, 1949, 1957, 1976; Риш, 1964; Кабыш, 1986; Петрунина, 2003 и др.). Возникшее в ходе этих исследований новое научное направление, сформулированное В.В. Ковальским как геохимическая экология, ставило своей целью вскрыть механизм реакций организмов на избыток (или недостаток) микроэлементов в природной среде и выявить причинные связи между ними и геохимическими факторами на основе исследований, проводимых на суборганизменном уровне (органы, ткани, клетка) (Ковальский, 1965, 1967). Результаты проведенных исследований

10

обобщены В.В. Ковальским в монографии "Геохимическая экология" (1974) и последующих его работах (Ковальский, 19746, 1976, 1982, 1991), а также изложены в многочисленных публикациях других авторов, включая материалы состоявшихся Всесоюзных тематических конференций "Биологическая роль микроэлементов в сельском хозяйстве и медицине" (начиная с 1950 г. каждые четыре года).

Таким образом, на этом этапе исследований была заложена основа концепции эколого-геохимической обусловленности эндемий у растений, животных и человека в естественных биогеохимических провинциях в связи с избытком или недостатком микроэлементов, что позволило в значительной степени раскрыть адаптивные возможности и механизмы реакций живых организмов на разных уровнях их организации. Изложенные положения послужили теоретическим обоснованием экофитоиндикационного подхода к оценке загрязнения городской среды.

Высокие концентрации химических веществ, в том числе тяжелых металлов, в атмосферном воздухе, почвах, водах, биоте в связи с глобальной урбанизацией стали неоспоримым фактом. В настоящее время известно около 10 миллионов химических соединений, из которых 70 тысяч внесено в медицинский регистр как потенциально токсичные и около 1 тысячи как высокотоксичные вещества. Следовательно, создалась реальная угроза экологического неблагополучия для здоровья населения урбанизированных территорий, особенно крупных городов с развитой промышленно-транспортной инфраструктурой, и территорий с горнодобывающей и горно-перерабатывающей промышленностью.

Это послужило толчком проникновения интеграционных идей географии и биогеохимии в медицину, что привело к оформлению направления географической патологии (Авцын, 1964, 1972) или микроэлементологии, изучающей различные группы микроэлементозов у человека, в том числе техногенные, связанные с избытком определенных микроэлементов.

11

Проблема загрязнения окружающей среды привлекла широкий круг медиков. Были разработаны основы гигиенического нормирования, установлены количественные зависимости изменения состояния здоровья населения под влиянием различных факторов среды (Сидоренко, 1998). Накопленный материал позволил выявить уровень риска возникновения негативных изменений в организме человека под воздействием загрязнения атмосферного воздуха (Буштуева,1979). В атмосфере 125 городов России ПДК вредных веществ превышены в 5-10 раз (Вельтищев, Фокеева, 1996). Появление сдвигов в функциональном состоянии организма человека (снижение жизненной ёмкости лёгких и др.) отмечается уже при содержании в атмосферном воздухе загрязняющих веществ, равном 1,5-2 ПДК, минимальный порог атмосферного загрязнения, при котором наступают существенные изменения в заболеваемости населения, составляет 5 ПДК (Шандала, Звиняцковский, 1981). Экопатогенные воздействия обусловили появление новых, неизвестных ранее заболеваний: химическая астма, итаи-итаи, болезнь Минамата, синдром общей утомляемости (Авцын, 1991). Атмосферный путь поступления токсичных веществ в организм человека является ведущим, так как в течение суток человек потребляет примерно 15 кг воздуха, 2,5 кг воды и около 1,5 кг пищи, кроме того, при ингаляции химические элементы поглощаются организмом наиболее интенсивно. Так, свинец, поступающий с воздухом, абсорбируется кровью примерно на 60%, с водой - на 10%, а с пищей — на 5%. Загрязнением атмосферы обусловлено до 30% общих заболеваний населения промышленных центров (Агаджанян, 1997). Высокое содержание загрязняющих веществ в окружающей среде воздействует и через пищевую цепь на иммунитет особей или популяций. Первенство по степени опасности для человека принадлежит таким классам веществ, как тяжелые металлы, хлорированные углеводороды, нитраты, нитриты и нитросоединения, асбест, пестициды (Протасов, 1999). Осознание актуальности проблемы взаимосвязи здоровья населения с состоянием окружающей среды нашло выражение в деятельности ВОЗ и изданных этой организацией ряда нормативных

12

документах, регулярных международных конференциях "Metal Ions in Biology and Medicine". В этих материалах показана биологическая активность и участие микроэлементов во многих процессах жизнедеятельности организмов, отражены клинические аспекты действия токсических концентраций металлов и другие вопросы (Finkelman, 2002).

Рассмотренные направления в исследовании проблемы окружающей среды-здоровье взаимно дополняют друг друга. Медицинский (санитарно-гигиенический) аспект представляется более узкоспециализированным. Экогеохимический подход, основанный на выявлении закономерностей миграции микроэлементов по всем сопряженным компонентам урбогеосистем является фундаментальным методом. Экобиоиндикация, базирующаяся на ответных реакциях, преимущественно зеленых насаждений, качественно и количественно диагностирует уровень токсичности содержащихся в городской среде тяжелых металлов, что дает возможность выявить территории экологического неблагополучия для здоровья населения.

В совокупности экогеохимический подход и экобиоиндикация составляют основу прогнозирования качества окружающей среды при контролируемых противоречивых нормативах техногенной нагрузки.

13 1.2. Методологические положения экобиоиндикации

Управление качеством окружающей среды в интересах сохранения здоровья населения требует методологического обоснования исследований и методической разработки четких критериев определения реальной нагрузки многообразных факторов окружающей среды на человека. Очевидно, что наряду с едиными критериями, действующими на федеральном уровне, должны быть и региональные для различных территорий. Так же и внутри регионов наблюдаются существенные различия в состоянии антропогенно-техногенно измененной среды. Особенно это касается городов-мегаполисов. Техногенное загрязнение последних носит мозаичной характер, что обусловлено сложностью ландшафтно-городской структуры, мощностью источников загрязнения, розой ветров, и другими факторами. Поэтому техногенная нагрузка в разных районах одного и того же города даже при очаговом загрязнении может различаться на один-два порядка и более (Белякова, 2000). Безусловно, при мозаичном загрязнении пространственная неоднородность его усугубляется. В таких случаях необходимы высокочувствительные и экспрессные методы оценки современного экологического состояния окружающей среды и ее мониторинга. Этим требованиям удовлетворяет концепция интегральной фитоиндикации или экофитоиндикации (Уфимцева, Терёхина, 2000, Уфимцева, 2004) и с нашей точки зрения в более широком аспекте — экобиоиндикации.

По Н.Ф. Реймерсу (1990) экологическая оценка - определение состояния среды жизни или степени воздействия на нее определенных факторов (с учетом динамики воздействия). А.Г. Исаченко (1994) под экологическим состоянием природной среды подразумевает состояние естественных "механизмов" жизнеобеспечения человека как живого существа всеми необходимыми первичными (не связанными с производством) средствами существования:

14

воздухом, теплом, водой, источниками пищи, а также природными условиями трудовой деятельности, отдыха и культурного развития. Ю.П. Селиверстов (1994) ввел понятие эколого-географической оценки, под которой понимается параметрическое определение состояния природной среды, обеспечивающее существование конкретных сообществ живых организмов, характерных для этих состояний и обусловленных природными условиями, в той или иной степени изменяющимися под воздействием антропогенных факторов. В понятие «экологическая оценка состояния природной системы» вкладывается разный смысл в зависимости от целей и задач исследований. В данной работе под экологической оценкой состояния подразумевается получение на многокритериальной основе «портрета экосистемы» и соотнесение его с «портретом нормы» экосистемы.

Проведенные комплексные эколого-индикационные исследования по оценке трансформации природных геосистем под влиянием урботехогенеза базируются на синтезе методологических положений биогеохимии, основанной В.И. Вернадским (1940), геохимии ландшафтов, связанной с именем Б.Б. Полынова (1956) и ботанической географии, родоначальником которой является А.Н. Бекетов (1855, 1856, 1874, 1877, 1884, 1885, 1896).

Эта триада наук является тем методологическим базисом, который определяет в современных условиях развитие теоретических положений экофитоиндикации, ставшей приоритетным научным направлением в условиях интенсивного техногенного преобразования природной среды.

Согласно методологическим положениям ботанической географии, растительный покров, представляющий единство флоры и растительности, как компонент географического ландшафта играет средообразующую роль в геосистемах различной размерности (от конкретного биогеоценоза до биосферы в целом), обусловливая их функциональную целостность (Корчагин, 1947, 1949, 1955; Уфимцева, Корчагина, 1998). Указанный статус растительного покрова определяет его индикационные возможности (Корчагин, 1971; Уфимцева, 1998). С этих позиций городская растительность также рассматривается как

15

функциональный компонент городских ландшафтов или урбогеосистем, чутко реагирующий на изменения среды в связи с техногенным воздействием и осуществляющий вещественно-энергетический биогеохимический круговорот (Уфимцева, 1992, Уфимцева, Терехина, 1996). Поступление химических веществ в городскую среду в связи с выбросами промышленных предприятий и автотранспорта вызывает разнообразие реакций зеленых насаждений на ее загрязнение. Отклики автотрофов-продуцентов четко фиксируются на организменном и надорганизменном уровне комплексом физиономических (морфологических) признаков, когда уже, как было показано В.В. Ковальским (1991), возникли физиологические сдвиги на суборганизменном уровне. Отсюда детерминирующий постулат концепции интегральной фитоиндикации сводится к тому, что экологическое состояние среды следует в первую очередь и преимущественно оценивать по ответным реакциям на загрязнители городских зеленых насаждений.

Учитывая однотипность химических связей в организме и вне его, зависимость ответных биологических эффектов от химического строения и физико-химических свойств веществ, универсальность физиологических реакций организмов в ответ на химическое воздействие (адаптация, общие и избирательные механизмы биологического поглощения микроэлементов), следует признать, что интегральная фитоиндикация применима при предварительной оценке здоровья населения в неблагоприятных экологических условиях.

Суть положений экофитоиндикации при оценке здоровья населения заключается в том, что изменение соотношений химических элементов регионального биологического круговорота под влиянием техногенеза является критерием для прогнозирования сдвигов популяционного здоровья населения (Уфимцева, 1992, 1999). Очевидно, создаются объективные условия для выявления ранних реакций организма человека на стадии предпатологии (до клинического проявления болезни). Раскроем основные положения этой концепции более подробно.

Список литературы