Накопление тяжелых металлов в почвах и растениях вдоль железнодорожных путей в условиях городского и сельского ландшафта

УДК - 502:504.05/06 НАКОПЛЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ ВДОЛЬ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПУТЕЙ В УСЛОВИЯХ ГОРОДСКОГО И СЕЛЬСКОГО ЛАНДШАФТА

В.Б. Любимов, М.В. Ларионов, Е.Б. Смирнова, М.В. Бурдин

В данной работе затрагиваются вопросы влияния подвижного состава железнодорожного транспорта на содержание тяжелых металлов в почвах и растениях полосы отвода железных дорог. Выявлена роль лесных придорожных насаждений на распространение тяжелых металлов в сторону от железнодорожного полотна. Ключевые слова: почва, растение, тяжелые металлы, железнодорожный транспорт.

В настоящее время серьезной экологической проблемой в Саратовской области является мощное техногенное загрязнение естественных и рукотворных экосистем химическими загрязняющими веществами, главными из которых являются тяжелые металлы, входящие в состав простых и сложных веществ и содержащиеся в техногенных выбросах и отходах.

По данным Управления Росприроднадзора по Саратовской области, выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников на территории Саратовской области в 2009 году составили 171,5 тыс. т, выбросы транспорта - 102,4 тыс. т. Вклад железнодорожного транспорта в общую долю выбросов транспорта составил около 35,4 % [2].

Железнодорожный транспорт в области является источником постоянного выделения тяжелых металлов в окружающую среду на окраинах городов и в сельской местности. Это связано с увеличением числа грузоперевозок, использованием устаревших в экологическом плане транспортных средств.

Загрязнение почв тяжелыми металлами на железной дороге происходит различными способами: рассыпание перевозимых химикатов при авариях и транспортировке, пролив горюче-смазочных материалов-нефтепродуктов, продукты сгорания топлива локомотивов, применение ядохимикатов для борьбы с сорными растениями в сельском и лесном хозяйствах [3, 6, 7].

Распределение тяжелых металлов по поверхности почвы определяется многими факторами: особенностями источников загрязнения, метеорологическими особенностями региона, геохимическими факторами и ландшафтной обстановкой в целом [4, 6].

Цель исследований, выполненных в 2007-2010 гг., заключалась в выявлении особенностей и уровня загрязнения подвижными формами тяжелых металлов почв и растений как депонирующих сред в зоне влияния железнодорожного транспорта.

Район исследований включал прилегающую к г. Балашову и с. Малиновка Аркадакского района Саратовской области территорию вдоль железной дороги. В этих районах железнодорожный транспорт является постоянно действующим источником выделения техногенных тяжелых металлов.

Лугово-степной равнинный ландшафт Правобережья Саратовской области практически не препятствует движению воздушных масс в разных направлениях, благодаря чему усиливается эффект аэрогенного антропогенного рассеивания поллюгантов на большие расстояния, а также с дождевыми и талыми водами.

Опасными являются высокие концентрации тяжелых металлов в почве, их избыточное поступление в организм человека и животных, откуда эти металлы очень медленно выводятся. Они поступают в организм человека и сельскохозяйственных животных в основном с растительной пищей, воздухом, водой [4]. В связи с тем, что вблизи железнодорожного полотна располагаются сельскохозяйственные угодья, данная проблема стоит достаточно остро [2].

Материалы и методы исследований

Исследования на характер распространения тяжелых металлов в почвах и растениях полосы отвода железных дорог проводились на базе Юго-Восточной железной дороги участка Балашов -Романовка (не электрофицированный) и участка Балашов-Аркадак (электрофицированный), в пределах правобережной части Саратовской области.

Почвенный покров участка изучали методами почвенного профилирования и химического анализа. Отбор почвенных и растительных образцов, подготовку их к элементному анализу проводили по общепринятым методикам. Для количественного определения содержания тяжелых металлов в почвах и растениях использован атомно-абсорбционный метод [1, 3, 4].

Для оценки загрязнения почв химическими веществами был произведен расчет показателей загрязнения (2С) на основании общепринятой методики, согласно которой показатели загрязнения рассчитываются по формуле [1]:

Ъ С£ас1/С£оп

В этой формуле С^- концентрация элемента в изучаемых почвах, Сй,п - региональный фон. Результаты исследований обработаны методами вариационной статистики, с использованием программы М8 Ехсе1-2007 [5].

Результаты и их обсуждение

Из всех почвенных разрезов образцы для элементного анализа отбирали в основном горизонте А. Отбор проб проводился на расстоянии 50 ми 150 м от рельсового полотна. Почвенные образцы суммировались. Общее количество взятых образцов почв равняется 80.

Характер распространения тяжелых металлов представлен в таблице 1.

Таблица 1

Средневзвешенное содержание тяжелых металлов в почвах полосы отводов железных дорог

_______________________________(мг/кг), 2007-2010 гг.______________________________________

Балашов-Романовка, г. Балашов Балашов-Аркадак, с. Малиновка, Аркадакский район

50 м

Бе 41067,5 ± 1036,2 37034,6 ± 1009,3 38028,1 ± 1011,6 35004,8 ± 975,4

Ті 4718,7 ± 136,9 4507,6 ± 125,3 4628,6 ± 120,1 4457,2 ± 117,6

Мп 774,2 ±17,6 598,5 ± 13,7 448,3 ± 10,2 308,3 ±6,9

Сг 165,1 ±3,7 145,6 ±2,4 125,7 ±2,2 94,1 ± 1,8

Со 24,8 ± 0,6 17,5 ±0,4 14,5 ±0,3 9,2 ± 0,2

N1 45,3 ± 1,3 37,6 ±1,1 29,8 ±0,8 21,3 ±0,5

Си 54,3 ± 1,5 43,8 ± 1,2 37,2 ± 1,0 26,6 ± 0,7

2п 60,4 ± 1,7 46,3 ± 1,3 53,5 ± 1,4 31,7 ±0,9

РЬ 15,9 ±0,5 12,5 ±0,3 10,7 ± 0,2 8,4 ±0,1

V 83,6 ± 2,6 74,4 ±2,1 72,8 ± 1,9 58,2 ± 1,3

Анализ вариационных рядов показал, что содержание тяжелых металлов в почвах отводов железных дорог заметно отличается от фонового содержания этих элементов.

Сравнивая содержание тяжелых металлов в почвах отводов железных дорог и их фоновых концентраций в данных районах, можно выявить следующие особенности. Наиболее сильно загрязнены почвы следующими тяжелыми металлами: Бе, РЬ, Си, 2п, Сг. Подвижной состав практически не оказывает влияния на характер распределения N1, Ті, Мп, V. Сравнивая влияние электрифицированных и не электрифицированных железных дорог на содержание тяжелых металлов в почвах, можно утверждать, что не электрифицированные дороги (Балашов-Романовка) поставляют в 1,5-2 раза больше тяжелых металлов, чем электрифицированные (Балашов-Аркадак).

По полученным результатам можно построить следующий вариационный ряд влияния подвижного состава железных дорог на содержание тяжелых металлов в почвах: С(Бе) > С(РЬ) > С(Си) > С(2п) > С(Сг) > С(№) > С(Ті) > С(Со) > С(Мп) > С(У).

Анализ полученных данных показал: если на расстоянии 50 м от полотна дороги располагается лесной массив, то 2С почвы на расстоянии 0-50 м от рельса более 2, на расстоянии 150 м равен 2, свыше 150 м - менее 2. Там же, где полотно проходит по степным участкам, 2С более 2 может прослеживаться на расстоянии до 150 мог него.

Проведенные исследования доказывают необходимость наличия лесных насаждений между железнодорожным полотном и сельскохозяйственными угодьями для их защиты от загрязнения тяжелыми металлами.

Растительный покров участков разнообразен: в направлении от г. Балашова к г. Аркадак ландшафт представлен травянистыми и кустарниковыми сообществами, а в направлении р.п. Романовка вдоль железнодорожного полотна расположены экотонные фитоценозы, представленные лесозащитными насаждениями. В связи с отличительными особенностями в растительном покрове исследуемых участков отмечено, что распространение загрязнителей в первом случае происходит на более дальние расстояния, чем во втором.

Известно, что почва как основа экотопа в значительной мере определяет элементный химический состав произрастающих на ней растений [1, 3]. В связи с тем, что тяжелые металлы наиболее токсичны из всех химических элементов, было принято решение исследовать ряд фоновых видов растений полос отводов на содержание в них тяжелых металлов. При исследовании преимущественно отбирались дикорастущие растения, также большой практический интерес представляли культурные растения, которые употребляются в пищу.

Для определения влияния железнодорожного транспорта на растения нами были отобраны 5 видов природной флоры древесных и кустарниковых растений, 5 видов природной флоры и 2 вида культурных травянистых растений. Всего исследовано 88 образцов растений.

В ходе исследований были зарегистрированы следующие наименования тяжелых металлов: Бе, РЬ, Си, 2п, Сг, N1, Ті, Со, Мп, V.

Характеристика содержания тяжелых металлов надземной фитомассы данных видов приведе! таблицах 2 и 3.

Таблица 2

Средневзвешенное содержание Ее, РЬ, Си, Zn, Сг в надземной фитомассе растений полосы отводов

железных дорог (мг/кг сухого вещества), 2007-2010 гг.

Вид n Fe Pb Cu Zn Cr

Клен ясенелистный -Acer negundo L. 8 336,4 ± 8,7 2,5 ± 0,08 39,6 ± 1,2 55,9 ± 1,6 0,9 ± 0,03

Сосна обыкновенная -Pinus sylvestris L. 6 183,8 ± 4,6 1,9 ± 0,05 12,7 ± 0,5 31,5 ± 1,1 4,3 ± 0,08

Осина - Populus tremula L. 7 91,3 ± 1,2 1,2 ± 0,02 24,4 ± 0,9 75,1 ± 1,8 26,6 ± 1,0

Дуб черешчатый - Quercus robur L. 3 190,2 ± 3,5 0,6 ± 0,02 18,9 ± 0,4 22,3 ± 0,5 11,7 ± 0,4

Вяз мелколистный - Ulmus pumila L. 10 142,8 ± 2,6 0,4 ± 0,01 27,5 ± 1,0 52,4 ± 1,4 16,2 ± 0,6

ПДК древесных растений 20,0* 5,02 20,03 15,04 1,02

Сныть обыкновенная -Aegopodium podagraria L. 6 589,1 ± 14,9 4,8 ± 0,1 35,7 ± 1,1 42,4 ± 1,3 4,8 ± 0,09

Полынь обыкновенная -Artemisia vulgaris L. 9 320,7 ± 8,2 4,5 ± 0,9 26,6 ±0,9 30,5 ± 0,7 8,9 ± 0,3

Чистотел большой -Chelidonium majus L. 8 254,4 ± 6,4 3,6 ± 0,7 44,3 ± 1,5 45,6 ± 1,4 8,7 ± 0,2

Ландыш майский -Convallaria majalis L. 6 234,2 ± 4,5 5,2 ± 0,2 40,9 ± 1,2 27,7 ± 0,5 7,1 ± 0,1

Крапива двудомная - Urtica dioica L. 8 434,8 ± 12,3 0,9 ± 0,03 26,7 ± 0,6 32,3 ± 0,8 1,4 ± 0,05

Подсолнечник - Helianthus annuus L. 12 865,6 ± 13,2 10,8 ± 0,3 41,2 ± 1,3 56,6 ± 1,5 23,4 ± 0,6

Гречиха посевная -Fagapyron esculentum Moench. 5 587,5 ± 9,4 8,4 ± 0,2 53,7 ± 1,5 69,1 ± 1,7 26,9 ± 0,8

ПДК травянистых растений ПДКне определена, критич. конц. = 750,0' 2,03 15,05 150,03 2,02

Достоверность результатов P < 0,05

Примечание: 1 - D. E. Baker, L. Chesnin [7]; 2 - В. П. Тарабрин [6]; 3 - А. Кабата-Пендиас, X. Пендиас [4]; 4 - В. Б. Ильин [3]; 5 - D. Sauerbeck [8].

Таблица 3

Средневзвешенное содержание Ni, Ti, Co, Mn, V в надземной фитомассе растений полосы отводов

железных дорог (мг/кг сухого вещества), 2007-2010 гг.

Вид n Ni Ti Co Mn V

Клен ясенелистный -Acer negundo L. 8 4,2 ± 0,07 11,4 ± 0,3 5,6 ± 0,09 85,6 ± 2,6 38,5 ± 1,1

Сосна обыкновенная -Pinus sylvestris L. 6 4,9 ± 0,09 97,6 ± 3,4 0,8 ± 0,03 64,38 ± 1,5 0,9 ± 0,04

Осина -Populus tremula L. 7 15,4 ± 0,3 126,3 ± 4,8 5,9 ± 0,08 234,4 ± 6,9 30,4 ± 1,2

Дуб черешчатый -Quercus robur L. 1 5,8 ± 0,1 45,2 ± 1,7 3,1 ± 0,05 178,3 ± 5,2 15,0 ± 0,2

Вяз мелколистный -Ulmus pumila L. 10 11,5 ± 0,2 37,1 ± 1,4 9,2 ± 0,2 125,6 ± 3,4 34,3 ± 1,3

ПДК древесных растений 20,01 ПДКне определена, критич. конц. = 80,02 10,01 ПДКне определена, критич. конц. = 334,02 ПДКне определена, критич. конц. =2,03

Сныть обыкновенная -Aegopodium podagraria L. 6 12,3 ± 0,3 10,5 ± 0,2 17,4 ± 0,5 158,9 ± 4,1 9,5 ± 0,2

Полынь обыкновенная -Artemisia vulgaris L. 9 9,0 ± 0,2 5,3 ± 0,08 14,8 ± 0,4 115,3 ± 3,7 16,4 ± 0,4

Чистотел большой - 8 7,1 ±0,1 89,7 ± 2,5 20,2 ± 0,6 246,3 ±7,1 4,1 ±0,09

* Chelidonium majus L.

Ландыш майский -Convallaria majalis L. 6 5,2 ± 0,09 7,4 ± 0,2 11,2 ± 0,3 143,4 ± 3,6 14,6 ± 0,3

Крапива двудомная - Urtica dioica L. 8 7,8 ± 0,2 7,8 ± 0,3 15,2 ± 0,5 137,6 ± 3,3 24,8 ± 0,8

Подсолнечник - Helianthus annuus L. 12 17,5 ± 0,5 167,3 ± 3,6 11,7 ± 0,3 1359,1 ± 33,6 25,6 ± 0,9

Гречиха посевная -Fagapyron esculentum Moench. 5 19,2 ± 0,8 316,6 ± 5,4 9,8 ± 0,2 387,5 ± 6,3 31,4 ± 1,2

ПДК травянистых растений 20,01 ПДКне определена, критич. конц. = 200,02 10,01 ПДКне определена, критич. конц. = 300,04 ПДКне определена, критич. конц. = 2,03

Достоверность результатов P < 0,05

Примечание: 1 - D. Sauerbeck [8]; 2 - А. Кабата-Пендиас, X. Пендиас [4]; 3 - D. E. Baker, L. Chesnin [7]; 4 - В. П. Тарабрин [6].

Анализ проб показал, что подвижной состав оказывает влияние на содержание тяжелых металлов в надземной фитомассе растений. Наибольшее влияние на растения оказывает Fe, Pb, Cu, Zn, что связано с наибольшим содержанием этих элементов по сравнению с почвами за пределами отводов.

Среди деревьев наиболее активными накопителями тяжелых металлов в районе исследований являются A. negundo L., P sylvestris L. и P. tremula L. Из травянистых видов A. podagraria L. и C. majus L. отличаются большими объемами аккумуляции этих поллютантов.

Изученные культурные травянистые растения (H. annuus L., F. esculentum Moench.) в сравнении с дикорастущими травами в целом активнее аккумулируют в собственной биомассе техногенные тяжелые металлы (Fe, Pb, Cr, Ti, Mn, V).

Придорожные защитные лесные насаждения являются наиболее эффективным средством ограничения распространения почвенных загрязнений [6]. Внутри плотной путевой опушки содержание загрязнителей резко возрастает и снижается по мере передвижения по насаждению, в направлении от железнодорожного полотна в сторону. Проникновение загрязнителей внутрь непосредственных насаждений не распространяется далее 150 м. Зона опасных уровней загрязнений чаще всего обрывается довольно резко уже в путевой опушечной части насаждений. Уровень содержания токсикантов здесь может снижаться в 2-4 раза на расстоянии 50 мот железнодорожного полотна.

Снижение уровня загрязнения земель, прилегающих к железнодорожным путям, определяется уменьшением скорости в зоне движения поездов и интенсивности пыления перевозимых грузов под защитой лесозащитных полос.

Заключение

Проведенные исследования дают картину загрязнения почв и растений тяжелыми металлами в отводах железных дорог. Экспериментальные данные представляют интерес в плане оценки влияния подвижного состава железнодорожного транспорта на почвы и растительность.

Приведенные в работе экспериментальные и расчетные данные могут быть использованы для разработки и теоретических исследований математической модели рассеивания загрязняющих веществ от передвижных источников загрязнения окружающей среды.

Практическое значение данной работы заключается в целесообразности создания лесопосадок вдоль железнодорожного полотна, так как они в значительной степени снижают распространение загрязняющих веществ от подвижного состава железных дорог.

In the paper the effect of rolling stocks on heavy metals concentration in soils and plants right of railway is studied. The role of forests in distribution of heavy metals from a permanent way is showed.

The key words: soil, plant, heavy metals, rail transport.

Список литературы

1. Алексеев, Ю. В. Тяжелые металлы в почвах и растениях [Текст] / Ю. В. Алексеев. - Л.: Агропромиздат, 1987. - 142 с.

2. Доклад о состоянии окружающей природной среды в Саратовской области в 2009 году [Текст] / Госкомитет по охране окр. ср. Саратовской обл. - Саратов: ВП, 2010. - 192 с.

3. Ильин, В. Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение [Текст] / В. Б. Ильин. - Новосибирск: Наука, 1991. - 151 с.

4. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях [Текст] / А. Кабата-Пендиас, X. Пендиас.

- М.: Мир, 1989. - 439 с.

5. Любимов, В. Б. Математические методы в биологии и экологии / В. Б. Любимов, К. В. Балив Брянск: БГУ, 2005. - 81 с.

6. Тарабрин, В. П. Физиология устойчивости древесных растений в условиях загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами [Текст] / В. П. Тарабрин // Микроэлементы в окружающей среде. -Киев: Наукова думка, 1980. - С. 17.

7. Baker, D. E. Chemical monitoring of soil for environmental quality animal and health / D. E. Baker, L. Chesnin [Text] // Advances in Agronomy. - 1975. - V. 27. - P. 306-366.

8. Sauerbeck, D. Welche Schwermetallgehalte in Pflanzen dtirfen nicht tiberschritten warden, um Wachstumsbeeintrachtigungen zu vermeiden? [Text] / D. Sauerbeck // Landwirtschaftliche Forschung: Kongressband.

- 1982. - S.-H. 16. - S. 59-72.

Об авторах

Любимов В.Б. - доктор биологических наук, профессор, Брянского государственного

университета имени академика И.Г. Петровского, 1иЫшоу-у@ mail.ru

Ларионов М.В. - кандидат биологических наук, старший преподаватель Балашовского института (филиала) Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского, 1mv001@ramb1er.ru.

Смирнова Е.Б. - кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Балашовского института (филиала) Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского.

Бурдин М.В. - аспирант Балашовского института (филиала) Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского.