4. Биофильные элементы в системе почва – растение в условиях городской среды АРХАНГЕЛЬСКА


4. Биофильные элементы в системе почва – растение в условиях городской среды АРХАНГЕЛЬСКА

^ 4.1. Содержание подвижных форм биофильных элементов в почвах. Оценку уровня обеспеченности почв Архангельска биофильными элементами провели, анализируя данные о содержании их в верхнем слое почвы (0 – 20 см) и почвенном профиле.

Накопление обменных форм фосфора, калия, кальция и других элементов в почвах Архангельска связано с геологическим строением и промывной способностью грунтов на территории города. Для территорий Архангельска характерен концентрический тип распределения биофильных элементов: максимальная их локализация отмечена по периферии города, на территории старой исторической зоны, где почвообразующей породой является тяжелая морена, в центре современного Архангельска, расположенном на торфах с песчаной отсыпкой, отмечен минимум накопления биофильных элементов.

Содержание всех рассмотренных биофильных элементов в городских почвах Архангельска в большинстве случаев превышает их содержание в природных почвах, это прежде всего связано с их технофильным поступлением в атмосферный воздух, а затем с осадками в почву, и поверхностные воды с последующей сорбцией в почвенном покрове. Меньше биофильных элементов, по сравнению с урбаноземами и культуроземами, накапливается в реплантоземах – почвах новостроек (табл. 1). Накопление нитратов в почвах связано с транспортной нагрузкой (r = 0,79) на автомобильных трассах (улицах и проспектах города).

^ 4.2. Миграция биофильных элементов в почвах г. Архангельска . Анализ полученных данных показал, что миграция подвижных форм биофильных элементов по профилю разных типов почв Архангельска отличается от таковой в природных почвах и, ограничена сорбционными барьрами (как правило, имеет гумусово-аккумулятивный характер). Максимальное количество химических элементов сосредоточено в верхних горизонтах, наиболее богатых гумусом.

Вниз по почвенному профилю содержание элементов снижается, иногда очень резко, что, прежде всего, может быть связано с опесчаниванием почв. Характер распределения мигрирующих элементов зависит от типа почв, их механического состава, обеспеченности органическим веществом и других свойств.

В урбаноземах и культуроземах наблюдается близкий характер миграции биофильных элементов по почвенному профилю, с накоплением их на гумусовых сорбционных барьерах в верхних горизонтах. В реплантоземах четких закономерностей распределения биофильных элементов не прослеживается. Это связано с вещественным составом слоев данных почв, их опесчаненностью, оторфяненностью, наличием прослоек строительно-бытового мусора, которые формируют социальные барьеры. Часто содержание химических элементов резко изменяется по горизонтам их почвенных профилей.

Таблица 1. Среднее содержание подвижных форм биофильных элементов в верхнем слое (0 – 20 см) различных типов почв Архангельска, мг/кг


Ион,

оксид

Тип почвы


Культу-роземы

n = 3

Репланто-земы



Урбано-земы


Естествен-ные дерновые почвы

n = 2

Дерново подзолис

тые почвы Подмоско

вья*

Урбано- земы

Москвы**


Почвы Красноярска**

Р2О5

518,927,1

512,750,5

n = 19

970,228,0

n = 33

327,024,3

50 - 100

50 - 1500

167 - 176

К2О

112,015,4

41,49,2

n = 11

142,415,4

n = 33

56,12,2

7 - 15

2 - 60


-

Са2+

127,223,0

85,37,5

n = 6

164,012,2

n = 14

73,92,7

50 - 100

50 - 100

250 - 300

Mg2+

38,812,2

35,02,4

n = 6

40,76,3

n = 14

31,41,0

20 - 30

до 300

118 - 130

NO3-

123,04,7

45,22,3

n = 14

15,92,6

n = 22

41,62,2

нет

12 - 15

6 - 23

NH4+

171,726,3

105,514,0

n = 3

119,11,3

n = 3

109,41,6

-

-

17 - 25
Примечание: n – количество участков исследования; * - по данным М.Н. Строгановой и др. (Почва. Город…, 1997);** - по данным И.Ю. Борцовой (Техногенное загрязнение…, 2007).

Распределение биофильных элементов по почве зависит также от миграционных свойств элементов, которые обладают разной подвижностью и особенностями закрепления в почве. В городских почвах наименьшей миграционной способностью обладает фосфор.

^ 4.3. Биофильные элементы в растениях. Накопление биофильных элементов различными растениями отличается, большее их содержание характерно для древесных растений по сравнению с травянистыми.

Растения в городе отличаются от однотипных растений естественных местообитаний по уровню накопления элементов питания. Береза, ива, тополь и разнотравье при произрастании в городе испытывают дефицит фосфора в тканях, но накапливают большие количества калия и нитратного азота, что связано с разными формами их накопления в городских почвах (табл. 2).

Различные биофильные элементы потребляются отдельными органами растений естественных и городских местообитаний неодинаково: калий преимущественно накапливается в надземной части, фосфор – в корнях растений. Накопление нитратного азота в большей степени зависит от вида растений: сходное потребление его характерно для березы и тополя, и несколько отличается для ивы.

Изменение химического состава растений зависит от фазы их развития, а значит и от сезона года. Как правило, наблюдается снижение содержания всех рассматриваемых элементов (калия, фосфора и нитратного азота) в зеленых частях растений в летний период – период максимальной интенсивности всех физиологических процессов растений.

Различные виды растений отличаются по уровню поглощения элементов питания и их динамике содержания в различных органах в течение вегетативного периода.


Таблица 2. Содержание биофильных элементов в органах растений естественных и городских местообитаний (мг/кг сухого вещества)


Орган растения

В растениях контроля

В растениях города

К2О

Р2О5

NO3-

К2О

Р2О5

NO3-

Травянистая растительность

Корни

4307

957292

1153

198054

5361 87

187 2

Надземная часть

320410

1120395

1112

414776

3130 47

200 2

Среднее

18178

1038893

1142

306465

4246 67

193 2

По данным О.Н. Абысовой (2007)

-

-

-

16560

8244

182

По данным Л.М. Державина (1998)

-

-

-

11200 - 45500

1800 - 4600

-

Ива

Корни

72315

1690275

989

161719

8908 31

112 1

Кора

56028

1471180

812

290834

961  18

145 1

Ветви

131829

1234034

2112

282219

2790 29

156 3

Листья

184466

1539963

2152

452929

2461 48

2253

Среднее

111135

1483863

1517

296925

3780 32

159 2

Береза

Корни

122820

1830683

26310

753 14

1454927

67 12

Кора

6104

1129028

14512

538 13

261  6

141 15

Ветви

8605

1203290

1508

253355

2847 34

93 23

Листья

245041

1916152

1657

317847

5229 45

183 25

Среднее

128717

1519763

1818

175032

5722 25

121 19

По данным О.Н. Абысовой (2007) листья / ветви

-

-

-







По данным В.В. Никонова (2004)

-

-

-

2500 - 9000

1200 - 3200

-

Тополь

Корни

н/д

н/д

н/д

166817

9347 38

118 10

Кора

н/д

н/д

н/д

108417

2825 18

155 5

Ветви

н/д

н/д

н/д

343225

2369 27

134 3

Листья

н/д

н/д

н/д

481830

4028 39

156 3

Среднее


н/д


н/д

н/д


275022

4642 31

141 6



Максимальные количества фосфора и калия накапливает тополь (445–4640 мг/кг; 1651–15518 мг/кг, соответственно), минимальные – береза (227–2512 мг/кг; 549–5422 мг/кг, соответственно), ива занимает промежуточное положение (1051–3725 мг/кг; 2189–9905 мг/кг, соответственно). По уровню накопления нитратов тополь отличается минимальными значениями (63–201 мг/кг), а береза и ива аккумулируют сходные количества NO3- (73–355 мг/кг).

Динамика содержания элементов питания (К2О, Р2О5, NO3-) в течение вегетационного периода зависит от породы: у березы и тополя сходна, большие их количества накапливаются в листьях. У ивы максимальное количество фосфора и нитратного азота часто приходятся на ветви и кору.

^ 4.4. Биофильные элементы в системе почва – растение. Распределение биофильных элементов в определенной степени зависит от геохимических характеристик почв и связано с их типами и степенью сформированности, но в то же время определяется биологическими особенностями растений. Травянистая растительность накапливает больше К2О, Р2О5 и NO3- на урбаноземах (3900 мг/кг; 4950 мг/кг и 237 мг/кг, соответственно); ива поглощает близкие количества этих элементов на урбаноземах и реплантоземах (2050–2970 мг/кг; 5020–5036 мг/кг и 148–150 мг/кг, соответственно); береза и тополь накапливают больше калия (1500 мг/кг и 2800 мг/кг) и фосфора (5880 мг/кг и 5900 мг/кг) на реплантоземах, а нитратов (120 мг/кг и 125 мг/кг) на урбаноземах.Наблюдается тенденция изменения распределения биофильных элементов по органам растений в городских условиях, по сравнению с природными почвами. Доля калия в листьях всех изученных древесных растений (береза, ива, тополь) на городских почвах снижается, а в коре и ветвях увеличивается. У деревьев наибольший отток К2О из листьев в другие органы наблюдается на реплантоземах, а у трав – на урбаноземах. У трав и деревьев идет накопление фосфора в корнях на всех типах почв, но набольшее – у растений естественных местообитаний. Накопление нитратов в травянистой растительности города соответствует природной. У деревьев в условиях городской среды происходит снижение роли корневого поглощения нитратов.

В городских почвах наблюдается значительное перераспределение химических элементов (К2О, Р2О5, NO3-) в составе растительных органов. У трав на всех типах почв в надземной части и корнях увеличивается доля калия. Особенно заметно увеличение доли этого элемента в корнях травянистой растительности на культуроземах и урбаноземах, в надземной части – на урбаноземах и реплантоземах. У древесных растений в коре, ветвях и листьях на культуроземах и урбаноземах также преобладает калий, а в корнях – фосфор. Наиболее стабильное соотношение биофильных элементов в органах исследованных растений наблюдается на более развитых урбаноземах, чем на молодых почвах новостроек – реплантоземах.

Количественной мерой интенсивности (степени) накопления химических элементов растениями является коэффициент биогеохимического поглощения (КБП), представляющий собой отношение содержания элемента в растении к его содержанию в почве. С использованием результатов по содержанию элементов питания в почвенных образцах, рассчитаны значения КБП для основных растений городских и естественных ценозов.

На интенсивность поглощения биофильных элементов растениями в первую очередь влияют условия их местообитания. Поглотительная способность растений в условиях города в отношении фосфора значительно снижена, и КБП в среднем составляет 6–22, а в отношении NO3- – повышена (КБП = 5–10), по сравнению с растениями естественных местообитаний, для которых КБП фосфора составляет 32–46, а нитратов – 3–4. Интенсивность потребления калия травянистыми и древесными растениями сходна в естественных и городских условиях (КБП = 15–32).

Поглотительная способность отдельных органов растений в естественных и городских условиях также различается. Для всех органов исследованных растений в естественных условиях максимальной является величина КБП фосфора. В городских условиях эта величина снижается на фоне увеличения КБП калия и нитратов.

На различных типах городских почв интенсивность накопления калия, фосфора и нитратного азота неодинакова. На реплантоземах наблюдается наиболее интенсивное накопление фосфора (КБП = 24–44) и калия (КБП = 43–59) растениями, нитраты накапливаются ими на этих почвах в меньшей степени (КБП = 5–6). Высокие значения КБП нитратного азота для органов трав и древесных растений отмечены на культуроземах (КБП = 25–28).

Интенсивность накопления элементов питания органами растений различается и в разные сезоны года. Максимальные значения КБП калия (7–42) наблюдается весной, нитратов (5–16) – осенью. Фосфор весной в большей степени аккумулируется ветвями деревьев (6–29), а осенью – их корой (7–13).


^ 5. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В СИСТЕМЕ ПОЧВА – РАСТЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ АРХАНГЕЛЬСКА

5.1. Содержание тяжелых металлов в почвах. Определение уровня загрязнения почв Архангельска провели, анализируя данные о содержании в верхнем слое (0–20 см) валовых форм тяжелых металлов 1 класса опасности (свинца, кадмия, ртути), меди и цинка и рассчитав на их основе суммарный показатель загрязнения для исследованных участков.

Оценка валового содержания ТМ в поверхностном слое почв Архангельска показала наличие полиэлементного загрязнения. В городских почвах средние концентрации химических элементов (Cu, Zn, Pb, Hg) выше значений для естественных почв (табл. 3).

В целом, оценка полученных концентраций химических элементов в почвах города по шкале опасности загрязнения почв, составленной на основе величин показателя суммарного загрязнения (СПЗ) (Сает, 1990; Касимов, 1995), выявила допустимый уровень загрязнения (СПЗ от 1 – 15 усл. ед.) урбаноземов и реплантоземов и умеренно опасный (СПЗ от 16 – 32 усл. ед.) – культуроземов.

Верхний слой почв центральной части города загрязнен тяжелыми металлами (валовые формы) больше, чем почвы Привокзального района. Накопление ТМ в почвах Архангельска происходит аналогично биогенным элементам. Концентрическое расположение зон разного уровня содержания ТМ, видимо, также связано с типом подстилающих грунтов и различиями во времени застройки этих территорий, с разницей во времени существования и преобразования почв под влиянием антропогенного фактора, который в первую очередь обусловлен воздействием промышленных предприятий (ТЭЦ, предприятия машиностроения, ЦБК, предприятия жилищно-коммунального хозяйства и очистные сооружения) расположенных по периферии города и автотранспортом. На накопление тяжелых металлов влияет и механический состав почв (Невзоров, 200; Наквасина и др., 2006; Никитин, 2006).

Таблица 3. Среднее содержание валовых форм тяжелых металлов (мг/кг) в городских и естественных почвах и предельно допустимые их концентрации (ПДК)

Химический элемент

Естествен-ная почва

n = 2

Культурозем

n = 2

Урбано-зем



Репланто-зем



Урбано-земы ЮВАО

Москвы

***

Почвы Санкт-Петербурга

****

Почвы Ленинградской области ****

ПДК по ЦИНАО, мг/кг

Pb

14,01,1

106,30,9

76,21,6

(n = 20)

59,01,3

(n = 17)

37

223

19

38 (32*)

Cu

15,00,9

39,20,3

48,21,3

(n = 9)

39,21,1

(n = 9)

59

120

18

53 (100**)

Zn

73,21,6

770,13,2

149,01,2

(n = 9)

109,12,2

(n = 9)

208

774

43

87 (300**)

Hg

< 0,075

0,90,1

0,50,1

(n = 9)

0,20,01

(n = 9)

-

0,8

0,0

2,1* (2**)

Cd

<1

<1

<1 (n = 9)

<1

(n = 9)

2

1,5

0,2

0,6 (3**)

СПЗ

-

30

14

7

-

-

-

-

Примечание: n – количество участков исследования; СПЗ – суммарный показатель загрязнения;

* - Перечень предельно-допустимых…,1991; ** - Kloke, 1980; *** - Пляскина О. В., 2007; **** - Уфимцева М.Д., 2005;

Накопление в почвах тяжелых металлов в определенной мере связано с уровнем содержания в них элементов питания, что подтверждает наличие корреляционной зависимости между этими показателями (табл. 4).

Помимо оценки загрязнения почв валовыми формами тяжелых металлов, при почвенно-химическом мониторинге необходимо уделять внимание их подвижным формам, так как они формируют резерв питания растений (Уфимцева, Терехина, 2005) и кроме того легко вымываются в грунтовые, а затем и поверхностные воды, определяя тем самым уровень их загрязнения. В связи с этим нами была произведена оценка степени подвижности ТМ в почвах Архангельска.

Практически все из исследованных почв Архангельска имеют очень высокое содержание подвижной меди, концентрации её превышают в 5 – 10 раз ПДК (3 мг/кг) на 50 % урбаноземов и 25 % реплантоземов. Содержание актуальных запасов Zn превышает ПДК = 23 мг/кг на 50 % урбаноземов и 70 % реплантоземов в 1,2 – 2,6 раз. Однако почвы города обеднены подвижными формами кобальта (1,1–1,7 мг/кг), никеля (0,89–1,0 мг/кг) и марганца (11,7–41,5 мг/кг), которые являют­ся не только техногенными поллютантами, но необходимыми для растений микроэлемента­ми. В культуроземах отмечаются максимальные концентрации подвижных форм Fe, Co, Mn, а в реплантоземах – Pb, но их содержание значительно наже ПДК на большинстве исследованных участках.

Таблица 4. Корреляционная зависимость содержания некоторых тяжелых металлов в почвах г. Архангельска от уровня их обеспеченности биофильными элементами


Металл/форма

Диапазон

Уравнение

r

Содержание Р2О5 (мг/кг)

Cuвал.

x  550

Y = 0,1465x – 4,5878

0,93

550  x  2000

Y = -0,028x + 67,280

- 0,77

Cuподв.

x  150

Y = -0,0302x + 3,9015

- 0,84

150  x  600

Y = 0,006x + 1,1846

0,70

600  x  2000

Y = -0,0022x + 5,0366

-0,69

Znвал.

x  1500

Y = 0,2498x – 0,9590

0,63

Znподв.

x  1500

Y = 0,00656x + 8,4035

0,76

Pbвал.

x  800

Y = 0,2294x – 1,7171

0,95

Содержание К2О (мг/кг)

Cuвал.

20  x  350

Y = 0,0864x + 16,714

0,59

Cuподв.

20  x  80

Y = 0,0711x – 0,1258

0,83

150  x  410

Y = -0,0023x + 2,8919

-0,76

Znвал.

20  x  350

Y = 0,2619x + 84,899

0,49

Znподв.

20  x  350

Y = 0,0076x + 11,932

0,21

Pbвал.

20  x  350

Y = 0,5462x + 22,095

0,64

Cодержание NO3- (мг/кг)

Cuвал.

x  110

Y = 0,0661x + 26,448

0,12

Cuподв.

x  110

Y = -0,0091 + 3,599

-0,17

Znвал.

x  110

y = 1,201x + 118,23

0,17

Znподв.

x  110

Y = 0,0569x + 10,996

0,53

Pbвал.

x  35

Y = 4,4264x + 37,512

0,59

35  x  110

Y = -1,4904x + 161,01

-0,86


По величине коэффициентов подвижности (Кп) на урбаноземах и культуроземах ТМ можно расположить в ряд Zn > Cu > Pb, а на естественных почвах и культуроземах - Cu > Zn > Pb. Эти ТМ изменяют степень подвижности в следующем ряду городских типов почв: культурозем < урбанозем < реплантозем.

^ 5.2. Миграция тяжелых металлов в почвах. Профили городских почв в целом сильнее загрязнены тяжелыми металлами по сравнению с природной дерновой легкосуглинистой почвой. Максимум загрязнения на большинстве исследованных участков содержится в верхнем органогенном горизонте, т.е. миграция тяжелых металлов в основном ограничена биогеохимическим сорбционным барьером. Однако подобный вариант распределения тяжелых металлов в почвах Архангельска не единственный. Встречаются профили, где с глубиной происходит постепенное увеличение содержания одного или нескольких тяжелых металлов, накопление их осуществляется на сорбционных барьерах, образовавшихся в результате присутствия в данных горизонтах почв тяжелого механического состава или железисто-марганцевых конкреций (пр. Троицкий, 91). Может наблюдаться два их максимума (ул. 23 Гвардейской дивизии, ул. Выучейского, ул. Урицкого, 58, стадион Буревестник). Во второй группе оказались почвы района современной застройки (60-х – 80-х гг.) с маломощным профилями, состоящими из горизонтов легкого механического состава, образованные на торфяниках разной мощности, путем переслаивания песка и строительного мусора, в результате чего сформировались социальные барьеры.

В естественных почвах не наблюдается значительных колебаний содержания ТМ по профилю. Кроме того, в отличие от городских почв, наблюдается увеличение их накопления с глубиной в горизонтах тяжелосуглинистого механического состава. Исключение в данном случае составляет цинк, содержание которого в верхнем горизонте несколько выше. В отличие от других металлов, большая его часть в растениях связана с легкоразрушающимися тканями и быстро удаляется из растительных остатков.

Все почвенные профили (естественной почвы и почв города) имеют достаточно хорошую обеспеченность подвижной медью (1,0–3,5 мг/кг) и цинком (1,9–17,8 мг/кг), но низкую – другими ТМ. Содержание подвижных форм ТМ (Cu, Zn) изменяется вглубь по профилю параллельно содержанию валовых форм. Однако степень подвижности ТМ в профилях различных типов почв неодинакова: большую долю от общего содержания составляют актуальные запасы меди и цинка на реплантоземах – почвах новостроек.

^ 5.3. Содержание тяжелых металлов в системе почва – растение. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о высокой индикационной значимости растений при биогеохимических исследованиях загрязнения городской среды. Растительный покров выполняет роль мощного биогеохимического барьера, выводя избыточные массы металлов из миграционного потока в депонирующие среды. В биоаккумуляции ТМ выявлены определенные закономерности, связанные с видом растений, механическим составом и типом почв, на которых они произрастают.

Накопление ТМ в фотосинтезирующих органах растений не зависимо от условий произрастания (типа почв) происходит в ряду: Ni < Co < Pb < Cu < Fe < Zn, но в городе более интенсивно, чем в естественных условиях, хотя не превышает уровень ПДК. В условиях атмосферного загрязнения деревья значительно потребляют медь, свинец и цинк, а травы – никель, цинк и железо (табл. 5).

Листья березы, тополя и ивы под влиянием техногенеза активно накапливают медь (КБП = 2,7–7,5) и свинец (КБП = 21,71–2,36). На реплантоземах – почвах с высоким содержанием подвижных форм Cu, Pb, зеленые части растений накапливают наибольшие их количества, а на культуроземах – наименьшие. Интенсивность потребления ими никеля (КБП = 0,79–1,24) и кобальта (КБП = 1,25–2,1) снижается.

Таблица 5. Содержание ТМ (мг/кг) в листьях древесных растений и надземной части трав

Растение

Химический элемент

Cu

Zn

Ni

Fe

Co

Pb

Городская среда обитания

Травы

11,20  0,10

116,01 1,80

0,74  0,01

94,90  2,66

3,40  0,21

1,60  0,06

Ива

11,00 0,15

88,70  1,21

0,90  0,02

122,12 6,10

2,70  0,21

3,42  0,07

Береза

10,81  0,09

122,09 1,33

0,73  0,02

24,13  1,39

1,52  0,07

2,91  0,04

Тополь

33,20  1,80

250,02 2,47

0,27  0,01

92,80  2,59

2,43  0,22

1,70  0,02

Береза, по данным Т.А.Гурьева (1996)

6,0

-

2,7

282,0

-

4,5

Тополь, по данным М.Д. Уфимцевой (2005)

28,39

146,32

4,91

418,33

-

8,78

Естественная среда обитания

Травы

9,20  0,23

24,30  1,56

0,07  0,01

22,61  1,10

0,74 0,02

0,780,02

Береза

0,63 0,05

12,8  0,70

0,12  0,01

20,7  0,95

0,9  0,03

0,840,04


Травянистая растительность в условиях города менее интенсивно накапливает кобальт (КБП = 1,43–3,66) и медь (КБП = 3,48–5,76) на фоне увеличения потребления железа (КБП = 2,23–11,34) и цинка (КБП = 7,6–8,44). Накопление цинка и меди растениями зависит от их вида. Эти элементы более активно накапливаются листьями тополя, для которых отмечены максимальные значения КБП (5,8 и 10,1, соответственно), по сравнению с другими растениями.


2303155967931845.html
2303233468989862.html
2303393216961232.html
2303515562474115.html
2303745275367306.html