Эколога—геохимическая оценка состояния древесной растительности городских ландшафтов

Краткое описание

ВВЕДЕНИЕ... 5

Глава 1. БИОГЕОХИМИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ГОРОДСКИХ

'* ЛАНДШАФТАХ... 10

1.1. Источники поступления тяжелых металлов в растениях... 10

1.1.1. Специфика атмосферных выпадений городов... 10

1.1.2. Транслокация из почв... 14

1.1.3. Пространственное распределение тяжелых металлов

в воздухе и в почвах городов... 20

1.2. Механизмы поглощения тяжелых металлов растениями... 20

1.2.1. Корневое поглощение... 20

,ф 1.2.2. Фолиарное поглощение... 21

1.2.3. Соотношение корневого и листового поглощения

в условиях города... 22

1.2.4. Физиологические барьеры поглощения... 23

1.3. Факторы, контролирующие поглощение тяжелых металлов растениями... 25

1.3.1. Физиологические и систематический факторы накопления

тяжелых металлов растениями... 25

1.3.2. Влияние ландшафтных факторов на поглощение тяжелых

металлов растениями городских ландшафтов... 28

1.3.3. Влияние взаимодействия элементов на их поглощение растениями... 29

1.3.4. Биогеохимические показатели связи микроэлементного

состава растений с внешней средой... 32

1.4. Оценка загрязнения и состояния растений... 34

1.4.1. Методы лабораторного анализа растительных образцов... 34

1.4.2. Показатели, характеризующие загрязнение растений

тяжелыми металлами... 35

1.4.3. Показатели состояния и функционирования растительного организма... 39

1.4.4. Фитотоксичность тяжелых металлов... 40

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ... 45

2.1. Характеристика территории юго-западного административного округа г. Москвы... 45

2.1.1. Краткое физико-географическое описание... 45

2.1.2. Источники загрязнения... 47

2.1.3. Состояние атмосферного воздуха и техногенная трансформация почв... 48

2.1.4. Характеристика растительного покрова... 50

2.2. Характеристика территории центральной части г. Кито... 52

2.2.1. Краткое физико-географическое описание... 52

2.2.2. Источники загрязнения... 54

2.2.3. Состояние атмосферного воздуха... 55

2.2.4. Характеристика растительного покрова... 56

2.3. Систематическое положение юго-западного административного округа г. Москвы и центральной части г. Кито в геохимической классификации городов и городских ландшафтов... 57

2.4. Методы исследования... 58

2.4.1. Методика пробоотбора... 58

2.4.2. Химико-аналитические работы... 60

2.4.3. Математические методы обработки результатов... 65

Глава 3. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ДРЕВЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ НА ТЕРРИТОРИИ ЮГО-ЗАПАДНОГО АДМИНИСТРАТИВНОГО ОКРУГА г. МОСКВЫ... 71

3.1. Ландшафтные различия в накоплении тяжелых металлов древесной растительностью... 71

3.1.1. Природные ландшафты... 71

3.1.2. Парково-рекреационные ландшафты... 75

3.1.3. Селитебно-транспортные ландшафты... 78

3.1.4. Изменения в содержании тяжелых металлов при увеличении 88 антропогенной нагрузки...

3.2. Динамика накопления тяжелых металлов за вегетационный

4 период... 90

3.3. Видовая специфика поглощения тяжелых металлов... 94

3.4. Роль антропогенных факторов в варьировании содержаний тяжелых металлов в древесной растительности селитебно-транспортных ландшафтов... 97

5.5 Выводы... 105

Глава 4. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ

ДРЕВЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ

г.КИТО... 108

4.1. Оценка интенсивности поступления тяжелых металлов

в составе аэрального потока... 108

+ 4.2. Ландшафтные различия в накоплении тяжелых металлов

древесной растительностью... ПО

4.1.1. Парково-рекреационные ландшафты... ПО

4.1.2. Селитебно-транспортные ландшафты... 114

4.2. Видовая специфика поглощения тяжелых металлов... 121

4.3. Выводы... 124

Глава 5. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОСТОЯНИЯ ДРЕВЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ гг. МОСКВЫ И

* КИТО... 126

5.7. Сравнительная характеристика природных условий и

техногенных факторов... 126

5.2. Сходства и различия в накоплении тяжелых металлов

древесными растениями ландшафтов гг. Москвы и Кито... 127

5.5. Особенности поведения тяжелых металлов

при увеличении антропогенной нагрузки... 131

5.4. Выводы... 134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ... 136

ЛИТЕРАТУРА... 139

ПРИЛОЖЕНИЯ... 147
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Растения в городах выполняют разнообразные функции. Они влияют на микроклиматические характеристики городской среды, снижают шумовую нагрузку, участвуют в формировании химического состава воздуха: биотрансформируют и рассеивают загрязняющие вещества, обогащают воздух кислородом. С другой стороны, растительный покров городов находится под воздействием огромного числа поллютантов, среди которых особое место занимают тяжелые металлы (ТМ) (Экология..., 2004). Уже сейчас такие крупные города, как Москва, по интенсивности загрязнения и площади аномалий загрязняющих веществ представляют собой техногенные геохимические и биогеохимические провинции. Опасность их избыточного поступления связана с нарушением важных физиологических и биохимических процессов в растительном организме, в которых ТМ принимают непосредственное участие (Генкель, 1975; Гэлстон и др., 1983; Двораковский, 1983; Микроэлементы..., 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Добровольский, 1998; Кириллов, Кокин, 1998).

Для определения допустимого уровня техногенной нагрузки на урбосистемы в настоящее время используется методология критических нагрузок. Она предполагает оценку того максимального поступления загрязняющих веществ, которое не сопровождается необратимыми изменениями в биогеохимической структуре, биоразнообразии и продуктивности экосистем в течение длительного времени (Башкин и др., 2004). Так как нарушения в биогеохимической структуре предшествуют появлению морфологических изменений, они являются основой для ранней диагностики стрессового состояния городской растительности.

Особенностям накопления ТМ в растениях техногенных ландшафтов посвящены многие экспериментальные исследования, среди которых можно отметить работы Ю.В. Алексеева, Н.В. Алексеевой-Поповой, В.А. Алексеенко,

П.В. Елпатьевского и B.C. Аржановой, В.Н. Башкина, М.А. Глазовской, В.В. Добровольского, В.Б. Ильина, А. Кабаты-Пендиас и X. Пендиаса,

А.И. Перельмана, Н.С. Касимова, Е.М. Никифоровой, А.И. Обухова, Т.А. Парибок, Б.А. Ревича, Ю.Е. Саета, Р.С. Смирновой, А.К. Фролова и многих др. В них прослежены изменения микроэлементного состава тканей различных видов растений на урбанизированных территориях и определено суммарное количество ТМ, перехваченных растениями. Гораздо меньше работ касается фракций ТМ, метаболически значимых и прочно связанных растениями в различные фазы вегетации. Требуют дальнейшего изучения и количественной оценки реакции растений городских ландшафтов на рост концентраций ТМ в сопредельных средах: в атмосфере и в почве.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы - изучить микроэлементный состав листьев древесных растений в городских ландшафтах и его пространственно-временную изменчивость при различных сочетаниях природных и антропогенных факторов на примере гг. Москвы и Кито (Эквадор).

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Анализ и систематизация современных представлений о биогеохимии ТМ в городских ландшафтах; оценка существующих методов изучения микроэлементного состава растительности;

2. Количественное определение общего содержания и прочно связанных форм Си, Zn, Co, Ni, Fe, Mn, Cd, Pb, Sr в листьях наиболее распространенных древесных пород на территории гг. Москвы и Кито.

3. Оценка степени техногенной трансформации микроэлементного состава древесной растительности парково-рекреационных (ПРЛ) и селитебно-транспортных (СТЛ) ландшафтов в течение вегетационного периода.

4. Определение видовой специфики накопления химических элементов листьями древесных пород.

5. Изучение сезонной динамики накопления ТМ листьями деревьев г. Москвы.

6. Выяснение роли антропогенных факторов, влияющих на величину корневого и фолиарного поглощения ТМ, в пространственно-временной вариабельности содержаний металлов в листьях деревьев.

Исходные материалы и методы исследований. Полевые материалы были собраны автором в 2000 г. в г. Москве и 2002 г. в г. Кито. В основу диссертационной работы были положены результаты химических анализов 182 смешанных проб (1006

элементоопределений) листьев древесной растительности ландшафтов гг. Москвы и Кито. Содержание Си, Zn, Co, Ni, Fe, Mn, Cd, Pb, Sr в листьях растений определялось с помощью рентгенофлуоресцентного и атомно-абсорбционного количественных спектральных анализов в лаборатории анализа минерального вещества ИГЕМ РАН г. Москвы и аналитической лаборатории Управления по охране окружающей среды г. Кито при участии автора.

Анализ данных включал расчет коэффициентов концентрации и рассеяния, построение геохимических спектров и рядов накопления элементов, а также статистическую обработку данных с использованием методов многомерного анализа: ранговой корреляции для выявления линейных трендов, кластерного и регрессионных деревьев.

Научная новизна работы. При анализе существующих биогеохимических методов изучения растений выделены три группы биогеохимических показателей, которые характеризуют связь микроэлементного состава растений с окружающей средой, их загрязнение и состояние. Показана целесообразность дополнения традиционных биогеохимических показателей результатами многомерного анализа.

Получены данные о суммарном содержании металлов и их прочно связанных формах в листьях тополя и бузины г. Кито. На основе данных о прочно связанных формах ТМ выявлены ландшафтные, видовые и сезонные различия в накоплении элементов листьями древесных растений гг. Москвы и Кито. Дана оценка состояния древесных растений в парково-рекреационных и селитебно-транспортных зонах городов в зависимости от абсолютных содержаний прочно связанных форм ТМ и отношений Fe/Mn и Pb/Mn.

Исследована и количественно описана сложная картина связей и взаимодействий в системе «растение — окружающая среда» урбанизированных территорий. С использованием традиционных биогеохимических показателей и методов многомерного анализа выявлены ассоциации металлов в листьях наиболее распространенных древесных пород, определены взаимосвязи между содержанием ТМ в листьях и комплексом антропогенных факторов, объясняющие пространственное распределение ТМ в листьях деревьев, оценена значимость этих факторов. Установлены геохимические особенности аэрального потока в г. Кито.

Выявлены общие черты и различия в накоплении ТМ листьями древесных

8

растений гг. Москвы и Кито, обусловленные контрастностью естественных и антропогенных факторов в этих городах.

Практическая значимость работы. Выполненные биогеохимические исследования древесной растительности городов представляют интерес для изучения закономерностей биогеохимической дифференциации живого вещества и биогеохимического районирования территорий. Полученные результаты позволяют прогнозировать содержание ТМ в городской растительности в зависимости от уровня техногенной нагрузки и комплекса антропогенных факторов. Они могут содействовать принятию оптимальных решений при видовом подборе и определении пространственной структуры озеленения городов. Опыт применения методов математического анализа может оказаться полезным при обосновании мероприятий и выборе оптимальной схемы изучения и охраны окружающей среды в Москве, Кито и других городах.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Ведущим фактором, определяющим содержание ТМ в листьях деревьев, является фаза вегетации. Ассоциации ТМ, формирующиеся в листьях в начале вегетации, обусловлены физиологическими особенностями их поглощения из почвы и ионными характеристиками элементов. В конце вегетации состав ассоциаций изменяется под воздействием аэральной нагрузки. При этом для Mn, Cu, Sr и Fe характерно увеличение содержания к концу вегетации, а для Со - уменьшение. Сезонная динамика остальных элементов у каждого вида индивидуальна.

2. Ландшафтные различия в накоплении элементов растениями связаны с фазой вегетации. В начале вегетации при переходе от ПРЛ к СТЛ г. Москвы в листьях деревьев увеличивается содержание Со, Си, Fe, Zn и уменьшается - Mn, Ni, Pb; в конце вегетации концентрируется Fe и рассеивается Си, Мп. В г. Кито характерная для конца вегетации картина наблюдается в засушливый период. Рост антропогенной нагрузки изменяет последовательность Zn, Fe, Mn в рядах накопления.

3. В аккумуляции ТМ растениями городских ландшафтов проявляются их видовые особенности. Так, в листьях тополя отмечается более интенсивная аккумуляция Zn и Со, а в листьях липы — Мп. С ростом антропогенной нагрузки видовые различия уменьшаются для всех элементов и для всех видов растений.

4. Содержание ТМ в листьях деревьев зависит от ряда антропогенных факторов,

приоритетность которых для каждого металла специфична. Для большинства элементов наиболее важным фактором является транспортная нагрузка. С увеличением транспортной нагрузки содержание Sr, Pb увеличивается, а Мп -уменьшается. Менее значимы загрязнение почвы и наличие механических барьеров. Исключение составляет Zn, для которого ведущим фактором является уровень загрязнения почв.

5. Сбалансированное функционирование растения характеризуют следующие парагенетические ассоциации в отмытых листьях растений: (Со, Ni), (Cd, Co), (Zn, Ni), (Fe, Zn), (Mn, Ni), (Pb, Cd, Mn), (Cu, Ni). Антропогенная нагрузка вызывает диспропорции в соотношениях Fe/Mn и Pb/Mn и снижение жизнеспособности растений городских ландшафтов. При этом тополь по сравнению с липой и бузиной является более устойчивым видом.

Апробация работы. Отдельные разделы диссертации докладывались, обсуждались и опубликованы в трудах Всероссийской конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Москва, РУДН, 1999, 2003, 2004), конференции на иностранных языках «Экология на рубеже веков» (Москва, РУДН, 2002), III Международного совещания «Геохимия биосферы» (Новороссийск, 2001), 4-ой Российской Школы «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (Москва, ГЕОХИ РАН, 2003), Международной Школы «Современные методы эколого-геохимической оценки состояния и изменений окружающей среды» (Новороссийск, 2003), III Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2004), а также на межкафедральных семинарах экологического факультета Российского университета дружбы народов (Москва, 2001,2003).

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доценту кафедры геоэкологии РУДН к.г.н. М.Г. Макаровой, ведущему научному сотруднику кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ д.г.н. Н.Е. Кошелевой, а также сотрудникам лаборатории анализа минерального вещества ИГЕМ РАН и аналитической лаборатории Управления по охране окружающей природной среды г. Кито за внимание, ценные советы и помощь при выполнении работы.

10

Глава 1. БИОГЕОХИМИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ГОРОДСКИХ

ЛАНДШАФТАХ

В главе дана характеристика микроэлементного состава атмосферных выпадений и почв, как основных источников поступления тяжелых металлов (ТМ) в растения городских ландшафтов, приводятся основные черты пространственной изменчивости загрязнения городских территорий. Обсуждаются механизмы поглощения элементов органами растений. Показана роль факторов, влияющих на поглощение ТМ растениями. Рассмотрены показатели, характеризующие связь микроэлементного состава растений с окружающей средой, загрязнение и состояние растительного организма.

1.1. Источники поступления тяжелых металлов в растения

1.1.1. Специфика атмосферных выпадений городов

Изучение аккумуляции ТМ в природных ландшафтах предшествует анализу поведения ТМ в антропогенных ландшафтах, его результаты дают точку отсчета для оценки техногенной трансформации микроэлементного состава приземных слоев атмосферы, почв и растений. В приземной атмосфере природных ландшафтов (ПЛ) концентрация ТМ ничтожна и измеряется в нг/м3 воздуха. Их основная масса сосредоточена в километровом слое воздуха над поверхностью Земли. Содержание ТМ в атмосфере характеризуется следующими порядками (в нг/м3) (Добровольский, 1998):

Юп: Zn Си Мп Сг Pb Ni; n: Cd Со Hg.

Основная масса металлов в атмосфере входит в состав аэрозолей. Одни из них - Fe и Мп - связаны главным образом с крупнодисперсным аэрозолем. Носители этих элементов представлены пылеватыми обломками рыхлых продуктов выветривания горных пород, слагающих континентальную кору.

11

В другую группу входят Pb, Zn, Cu, Cd. Их основная масса поступает в атмосферу в парогазовой фазе аэрозоля. Эти элементы активно сорбируются ядрами конденсации. Наиболее крупными поставщиками ТМ в парогазовой фазе аэрозоля являются микроорганизмы и высшие растения, заметный вклад вносят действующие вулканы и лесные пожары. Обогащение атмосферы ТМ происходит в результате микробиологических процессов метилизации. Растения выделяют различные газообразные соединения: для хвойных деревьев характерно образование терпенов, для лиственных - изопренов. Металлы выносятся из зеленых растений в форме легколетучих комплексов с этими соединениями.

Концентрация ТМ в приземной атмосфере городских ландшафтов существенно отличается от таковой в природных ландшафтах. По данным В.А. Алексеенко (2000), эти различия достигают для Мп - 100, Со - 40, Cd - 21, Fe - 16, Си - 16, Pb - 10, Zn -7, Ni - 2 раза (рис.1).

24000

и s

Cd Co Мп Си

Ni

Pb

Zn

Fe

• городские ландшафты пригородный геохимический фон

Рис.1. Концентрация тяжелых металлов в атмосферном воздухе городских ландшафтов и пригородного геохимического фона, нг/м3 (Алексеенко, 2000)

Выбросы ТМ в атмосферу происходят в результате технологических процессов практически во всех отраслях промышленности - машиностроении, металлообработке, стройиндустрии, радиотехнике, гальванике, полиграфии, ТЭЦ, а также от мусоросжигающих заводов, коммунального хозяйства и автотранспорта

12

(Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Геохимия ..., 1990; Алексеева-Попова, 1991; Тэмп, 1991; Лозановская и др., 1998). Специфику этих отраслей в обобщенном виде представляет табл. 1.

Таблица 1

Антропогенные источники тяжелых металлов в городских ландшафтах

Металл Источники

Fe производство сплавов

Со предприятия цветной металлургии, гальванопластика, ТЭЦ, производство сплавов, красителей, красок, эмалей

Ni металлообрабатывающие предприятия, ТЭЦ, производство сплавов, автотранспорт

Си электротехническая, химическая промышленности, производство удобрений и сельскохозяйственных ядохимикатов, коммунальное хозяйство

Zn предприятия цветной металлургии, ТЭЦ, производство сплавов, гальванических элементов, красок, автотранспорт

Pb предприятия цветной металлургии, химическая промышленность, теплоэнергетика, коммунальное хозяйство, автотранспорт

Sr промышленная переработка полезных ископаемых (руд, сырья по производству цемента, фосфатных удобрений), ТЭЦ

Mn производство сплавов

Cd гальванопластика, производство сплавов, батарей, красителей

В атмосфере городских ландшафтов ТМ так же входят в состав аэрозолей, причем прослеживается та же связь с дисперсностью аэрозоля, что и в природных ландшафтах (Елпатьевский, 1993). Подавляющая часть Fe и Мп приходится на крупные (более 2,5 мкм) частицы; РЬ концентрируется в наиболее тонких частицах (менее 0,5 мкм). Процессу сорбции ТМ способствуют малые размеры частиц, поступающих в атмосферу с дымами. Так, диаметр оксидов цветных металлов, как правило, не превышает 1 мкм, а цементной пыли — 10 мкм (Алексеенко, 2000). До 80-90% микроэлементов, содержащихся в аэрозолях, связано с частицами размерами

13

около 1 мкм (цит. по Чернышенко, 2001). Время их пребывания в атмосфере около 5 суток, а наиболее мелкие частицы остаются в атмосфере свыше 3-4 недель (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).

Аэрозольные частицы крупнее 10 мкм, попавшие в атмосферу, быстро осаждаются под действием силы тяжести. Другой путь их удаления - вымывание атмосферными осадками. Растворению частиц способствует влага в атмосферном воздухе и их высокая дисперсность. За счет парообразной влаги аэрозольный материал покрывается водной пленкой и гидратируется. Пленочная влага имеет высокую растворяющую способность, тем самым активизируется переход в раствор металлов, выпадающих с осадками (Елпатьевский, Аржанова, 1985).

Интенсивность загрязнения воздуха городов зависит от целого ряда ландшафтных факторов и, в первую очередь, от метеорологической ситуации и рельефа местности. Особенно сильное загрязнение характерно для городских ландшафтов, расположенных в горных котловинах с частыми инверсиями температуры, приводящими к смогам (города Новокузнецк, Братск, Магнитогорск, Иркутск и др.).

Каждый городской ландшафт имеет свою атмогеохимическую специализацию, обусловленную специализацией производства. Так, для г. Череповца, центра черной металлургии, аномальность химического состава выпадающих из атмосферы аэрозолей определяется Fe, Pb, Си, Cd и Zn. Для г. Электростали, ведущей отраслью которого является машиностроение, - Ni, Cr, Mo, W, Со, Си, Мп и V (Экогеохимия ...,1995). Но помимо этих специфичных для каждого города источников значительный вклад в загрязнение ландшафтов вносит автотранспорт. В общем объеме загрязнителей, поступающих в городскую среду от автотранспорта, отработавшие газы составляют 65%, испарения бензина - 9%, продукты возгонки и терморазложения масла - 20%, продукты износа резины и металла - 6%. С отработавшими газами выбрасываются оксид углерода (76%), углеводороды (16%), оксиды азота (6%), оксид серы (16%), твердые частицы (2%). Последние представляют собой продукты дегидрирования топлива, металлы, а также другие вещества, которые содержатся в топливе и не могут сгореть. Использование свинецсодержащих антидетонационных добавок к топливу привело к тому, что автотранспорт является основным источником выброса в атмосферу свинца в виде

14

аэрозоля неорганических солей и оксидов. Доля свинцовых соединений в выхлопных газах составляет от 20 до 80% массы выбрасываемых частиц и меняется в зависимости от режима работы двигателя (Экология..., 1997; О состоянии..., 2000; Стабилизация..., 2001).

Наряду с отработавшими газами в атмосферу, особенно в летний период, поступает значительное количество дорожной пыли от движущегося автотранспорта. Пыль, поднимаемая с дорожного полотна, содержит широкий спектр ТМ, попадающих на него при истирании движущихся частей и механизмов автомобилей. В их состав, наряду с железом, входят легирующие металлы стали (Mn, Cr, Ni, Co, Мо), цветные металлы (Си, Ni, Zn, Sn, A1), пластмассы, краска, содержащая целый ряд химических элементов (Сг, Zn, Co, Cd, Bi, Ti, Sb), а также компоненты дорожного покрытия (цемент, асфальтовая крошка). Основной частью автомобиля, подвергающейся интенсивному истиранию, являются автопокрышки. Резиновая пыль содержит Zn и является основным источником его поступления в окружающую среду (Оценка..., 2000).

1.1.2. Транслокация из почв

В фоновых условиях почва является основным источником поступления ТМ в растения. Почвы природных ландшафтов наследуют микроэлементный состав исходных пород, который значительно варьирует (табл.2). Высвобождающиеся в результате выветривания ионы металлов активно сорбируются различными компонентами почв: 1) оксидами (водными, аморфными), главным образом Fe и Мп и в гораздо меньшей степени А1 и Si; 2) органическим веществом и живыми организмами; 3) глинами; 4) карбонатами, фосфатами, сульфидами и основными солями.

На процесс поглощения ТМ растениями почва влияет двояким образом. С одной стороны, сорбция почвами ТМ снижает количество поступающих элементов в растения. С другой стороны, аккумуляция сорбированных элементов в верхних горизонтах, т.е. в зоне наибольшего распространения корней, способствует их поглощению и большему накоплению в растениях, чем при свободной миграции ТМ в более глубокие горизонты почвы. Этот процесс биологического обогащения поверхностного горизонта почвы характерен для Си, РЬ и Zn (Рэуце, Кырстя, 1986).

15

Содержание тяжелых металлов в горных породах, мг/кг (Иванов, 1995; Осетров, 1995; Алексеенко, 2000)

Таблица 2

Металл Основные породы Кислые породы Средние породы Сланцы Песчаник Карбонаты

Cd 0,22 0,13 0,13-0,22 0,3 0,01 0,035

Со 48 7 10 19 0,3 0,1

Си 87 30 35 45 1 4

Fe 86500 29600 55000 47200 9800 3800

Мп 1500 540 1000-2000 850 10 1100

Ni 130 15 55-230 68 2 20

Pb 6 15 15 20 7 9

Sr 465 440 - 300 20 610

Zn 105 60 72 95 15 20

Глинистые минералы, водные оксиды Fe, Mn, A1 и органическое вещество считаются наиболее важными группами, которые участвуют и конкурируют между собой в процессах сорбции ТМ (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). По данным Н.Г. Зырина с соавт. (1979), Zn ассоциируется в почвах природных ландшафтов главным образом с водными оксидами Fe и А1 - 14-38% от общего содержания и с глинистыми минералами — 24-63%. При выветривании Ni осаждается преимущественно оксидами Fe и Мп (Кошелева и др., 2002). В почвах Англии около 30% от валового содержания Си связано с органическим веществом и 15% адсорбировано гидроксидами Fe и Mn (Alloway, 1995). Основные компоненты почвы, связывающие РЬ, - это карбонаты, глинистые минералы, оксиды Fe и Мп, а также гумус (Воробьева и др., 1983). По Тайлору и Маккензи (цит. по Alloway, 1995), до 79% минеральных форм Со входит в состав или ассоциировано с оксидами Мп.

Обычно количество легкоподвижных, доступных растениям форм ТМ в почвах природных ландшафтов невелико и составляет в среднем 5-10% (Экогеохимия ..., 1995). Оно определяется их валовым содержанием и существенно зависит от реакции среды, гранулометрического и минералогического состава почвы, количества гумуса и окислительно-восстановительных условий. Почвам с щелочной реакцией среды и

16

повышенным содержанием глинистых минералов, карбоната кальция и органического вещества свойственна высокая поглотительная способность по отношению к ТМ; такие почвы или полностью освобождают растения от контакта с ТМ, или делают эти контакты менее опасными. Наиболее доступны растениям те элементы, которые адсорбированы на глинистых минералах (в особенности на монтмориллоните и иллите), тогда как фиксированные на оксидах оказываются менее доступными (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1995; Мотузова, 1999).

В работе Н.Е. Кошелевой с соавт. (2002) подробно исследована роль различных компонентов почв, контролирующих подвижность ТМ в фоновых почвах смешанных лесов. Установлено, что между валовыми и подвижными (в вытяжке 1н НС1) формами Мп и Ni существует положительная связь, для Си и Со она отрицательна, у РЬ и Zn — не выявлена. Органическое вещество определяет поведение Мп, Си, РЬ. Извлекаемые НС1 соединения Fe и Мп способствуют накоплению подвижных форм большинства ТМ. В восстановительной среде Zn более, а Мп, Си, Pb, Ni - менее подвижны, чем в окислительной. В щелочной обстановке подвижность Zn, Pb, Ni, Co снижается, а Мп - возрастает. Как правило, из кислых почв ТМ поступают в растения в значительно больших количествах, чем из почв слабощелочных, нейтральных или слабокислых (Ильин, Степанова, 1980).

Физико-химические свойства почв городских ландшафтов сильно отличаются от их природных аналогов. Наиболее важными изменениями городских почв таежной зоны являются: подщелачивание, рост содержания гумуса и увеличение емкости поглощения. Причинами подщелачивания могут служить осаждение строительной пыли, содержащей карбонаты кальция и магния (Никифорова, Лазукова, 1995), а также попадание в почву с поверхностным стоком хлоридов кальция, натрия и других солей, которыми посыпают тротуары и дороги зимой (Чернышенко, 2001). Так, для насыпных почв газонов и парков Москвы характерна нейтральная и слабощелочная реакция среды (рН 7,3-7,9), а в почвах краевых частей газонов значения рН достигают 8-9 (Лепнева, Обухов, 1988).

В загрязненных почвах в 4-8 раз увеличивается содержание гумуса, особенно в поверхностных горизонтах почв газонов вдоль крупных автомагистралей (Никифорова, Лазукова, 1995). Это можно объяснить интенсивным поступлением сажи и битуминозных веществ, а также пыли, содержащей органические вещества.

17

Антропогенные почвы газонов и парков характеризуются более высокой по сравнению с зональными емкостью поглощения - до 25-30 мг-экв/100 г при 8-12 в гор. Aj фоновых почв (Лепнева, Обухов, 1988; Никифорова, Лазукова, 1995).

Трансформация физико-химических свойств городских почв приводит к формированию в гумусовых горизонтах биосорбционного и щелочного геохимических барьеров, на которых закрепляются выпадающие и вымывающиеся из аэротехногенного потока металлы.

1300

0

Mn Zn Cu Pb

Со

Ni

Sr

¦ городские почвы ? фоновые почвы

Рис. 2. Среднее содержание тяжелых металлов в почвах Новгорода фоновых почвах Приильменья (Экогеохимия ..., 1995)

На рис. 2 показано валовое содержание металлов в фоновых почвах Приильменья и почвах Новгорода, где можно отметить повышенное содержание Zn, Си, Со, Ni, Pb и пониженное - Мп и Sr. Уменьшение концентрации последних, по-видимому, связано с увеличением их подвижности в щелочной обстановке и выносом вниз по почвенному профилю.

Наряду с ростом валового содержания ТМ в почвах городских ландшафтов возрастает доля их подвижных соединений. Установлено, что для почв Перовского района г. Москвы характерно повышенное содержание кислоторастворимых форм ТМ (вытяжка 1 н НС1). Значения показателя подвижности достигают 45-80% от

Список литературы