Факториальная зависимость содержания тяжелых металлов в древесных насаждениях на урбанизированной территории

Общая биология

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 2 (2), с. 161-164

УДК 581.5+58.02

ФАКТОРИАЛЬНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ СОДЕРЖАНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДРЕВЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ НА УРБАНИЗИРОВАННОЙ ТЕРРИТОРИИ

© 2011 г. Р.Б. Шарифзянов

Ульяновский государственный технический университет

rasimsb@mail.ru

Поступила в редакцию 03.05.2011

Показана сезонная динамика содержания тяжелых металлов (Ре, Zn, Си, №, Сг, РЬ) в различных породах деревьев (липе, берёзе, тополе). Установлена зависимость между рядом определенных факторов (рН почвы, фоновое содержание металлов в почве, фоновое содержание металлов в атмосферном воздухе) и содержанием тяжелых металлов в исследуемых породах деревьев на урбанизированной территории. Проведен сравнительный анализ различных пород деревьев по коэффициентам биологического поглощения тяжелых металлов.

Ключевые слова: сезонная динамика, содержание тяжелых металлов, древесные насаждения, зависимость от факторов, коэффициент биологического поглощения.

Введение

Среда промышленного города отличается своеобразием основных экологических факторов, а также специфическими техногенными воздействиями. Роль древесно-кустарниковой растительности в снижении негативного воздействия на окружающую среду заключается в их способности нивелировать неблагоприятные для человека факторы природного и техногенного происхождения. Однако высокая степень воздействия негативных антропогенных факторов, присущая урбанизированным территориям, закономерно приводит к ослаблению растительности, преждевременному старению, снижению продуктивности, поражению болезнями, вредителями и гибели насаждений.

Большое значение для роста и развития древесных растений имеет содержание и динамика основных элементов минерального питания в побегах, а экологическая роль деревьев и кустарников определяется способностью к аккумуляции загрязняющих веществ, в том числе тяжелых металлов (ТМ). К ряду тяжелых металлов относятся такие токсичные металлы, как кадмий, свинец, никель, хром, ртуть, мышьяк. В состав тяжелых металлов также входят металлы, жизненно необходимые для минерального питания растений (цинк, железо, марганец, медь). Однако при повышенных содержаниях в растениях и жизненно необходимые металлы становятся опасными [1-4]. Поэтому исследование динамики накопления тяжелых металлов в древесных насаждениях для экологической оптимиза-

ции их использования на урбанизированных территориях является крайне важной и актуальной задачей.

Цель и задачи работы - исследовать сезонную динамику и влияние определенных факторов (рН почвы, фоновое содержание металлов в почве и в атмосферном воздухе) на содержание тяжелых металлов (Fe, Zn, Cu, Ni, Cr, Pb) в древесных насаждениях на территории г. Ульяновска; провести сравнительный анализ различных пород деревьев по коэффициентам биологического поглощения тяжелых металлов.

Объекты и методы исследования

Объекты исследования - древесные растения, наиболее широко используемые в озеленении города Ульяновска: береза повислая, поникающая или бородавчатая (Betula pendula Roth.); липа мелколистная, сердцелистная или сердцевидная (Tilia cordata Mill.); тополь чёрный, осокорь (Populus nigra).

Отбор проб растительного материала (ветви, листья) с заданных древесных пород (береза, липа, тополь) производился один раз в три месяца, посезонно (лето - осень - зима - весна -лето) в период 2008-2009 гг. Места отбора проб растительного материала выбирались при соблюдении следующих условий: территориальное произрастание в непосредственной близости друг от друга древесных насаждений различных пород; вблизи автотранспортных развязок, автомагистралей и промышленных предприятий, характеризующихся наиболее высоким

Липа Береза

Порода древесных растений

Рис. Сезонная динамика содержания хрома в древесных растениях

уровнем загрязнения. При соблюдении этих условий были определены 12 мест отбора проб растительного материала в 4 районах (Ленинском, Засвияжском, Железнодорожном, Заволжском) города Ульяновска.

Материалом для исследования служила усредненная проба растительного материала. Для каждой породы древесных растений отбор ветвей и листьев производили с отдельно стоящих деревьев (не менее 3-5) того же вида, произрастающих по соседству друг с другом, ориентировочно одного возраста, по периметру кроны с высоты 1.5-2 метров.

Для определения фонового содержания ТМ в почве параллельно с отбором проб растительного материала проводили групповой отбор проб почвы (с последующим усреднением пробы) в местах произрастания деревьев исследуемой территории. Отбор, хранение и подготовку проб почвы проводили согласно ГОСТ 17.4.4.02-91.

За исследуемый период общее количество проб растительного материала (ветви, листья) составило 252 образца; проб почвы - 60 образцов.

Валовое содержание ТМ ^, Zn, ^, №, &, Pb) в пробах растительного материала и почвы определяли атомно-абсорбционным методом на спектрометре «Спектр-5М» по методике ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.36-02. Пробоподготовку растительного материала для физико-химического анализа проводили согласно ГОСТ 26929-94. Определение рН-среды в водной вытяжке почвы проводили потенциометрическим методом на иономере ИПЛ 301 по ГОСТ 26423-85.

Коэффициенты биологического поглощения (КБП) тяжелых металлов древесными насаждениями относительно почвы рассчитывали по уравнению К = Сх/Со, где Сх и Со - содержание ТМ в золе растительного материала и почве соответственно [5]. Статистическая обработка

экспериментальных данных осуществлена с помощью программ Excel, STATISTIKA 6.1.

Результаты и их обсуждение

При исследовании сезонной динамики содержания ТМ (Fe, Zn, Cu, Ni, Cr, Pb) в различных породах деревьев (липе, берёзе, тополе) была установлена характерная закономерность для урбанизированной территории г. Ульяновска [6, 7].

По группе металлов цинк-медь-никель наблюдается сезонное уменьшение (от лета к весне) их содержания во всех исследуемых породах деревьев. Сезонная динамика по свинцу во всех породах деревьев идёт с максимальным возрастанием в осенний период и снижением содержания данного металла к весне.

Обратная тенденция наблюдается по содержанию железа во всех породах деревьев. Установлено, что идёт характерное увеличение содержания железа от зимы к весне в исследуемых древесных насаждениях.

Специфичный характер носит сезонная динамика содержания хрома в липе и березе: наблюдаются максимальные значения в летний период, с последующим резким спадом его содержания к осени. В дальнейшей сезонности было выявлено, что в зимний период для липы отмечен двойной рост содержания хрома относительно осенних значений и значительное снижение его к весне. Для березы установлены незначительные изменения содержания хрома в период осень - весна. Сезонная динамика содержания хрома в тополе носит последовательный характер, наб -людается уменьшение содержания хрома от лета к весне (рисунок).

Таким образом, сравнивая содержание тяжелых металлов во всех исследуемых породах де-

ревьев в летний период, их можно расположить в следующий ряд: Fe > Pb > Zn > № > Си > Сг.

В осенний период вышеуказанный ряд видоизменяется: Fe > РЬ > Ni > Си > Сг > Zn. За счет опада листвы содержание цинка снижается до минимальных значений (С < 0.01 мг/кг) и не возрастает до следующего вегетационного периода.

В зимний период во всех породах древесных насаждений содержание никеля становится ниже содержания меди, и ряд выглядит следующим образом: Fe > РЬ > Си > № > Сг > 7п. Данный

ряд остается неизменным в весенний период.

Проведением корреляционного анализа установлена зависимость между рядом определенных факторов (рН почвы, фоновым содержанием металлов в почве и в атмосферном воздухе) и содержанием ТМ в исследуемых породах деревьев.

Почву исследуемой территории можно отнести к щелочным почвам (рН = 9.13^9.18). Выявлено, что положительная корреляционная зависимость между рН почвы и фоновым содержанием металлов в почве приводит к снижению содержания металлов в древесных насаждениях (отрицательная корреляция).

Установлено, что наиболее характерная отрицательная корреляционная зависимость между рН почвы и содержанием ТМ во всех породах деревьев прослеживается для группы металлов цинк-медь-никель. Во всех исследуемых породах деревьев коэффициенты корреляции для рНпочвы/СТМ по цинку Гху= -0.455, р < 0.05; меди гху = -0.255, р < 0.05; никелю гху = -0.368, р < 0.05 (для липы), гху = -0.123, р < 0.05 (для тополя), гху = -0.082, р < 0.05 (для берёзы). Данную отрицательную зависимость можно объяснить образованием в щелочных почвах малорастворимых устойчивых гидрок-сокомплексов соответствующих металлов, что определяет их миграционную способность и поступление в древесные насаждения.

При исследовании сезонной динамики содержания ТМ в древесных насаждениях от фонового содержания металлов в атмосферном воздухе была выявлена характерная положительная корреляционная зависимость по никелю Гху = 0.852, р < 0.05 (для тополя); цинку гщ = 0.635, р < 0.05 (для берёзы); железу гху = 0.354, р < 0.05 (для липы, берёзы); свинцу гху = 0.187, р < 0.05 (для тополя). По хрому и меди характерной корреляционной зависимости не прослеживается.

Можно говорить о том, что возможность поступления ТМ в древесные насаждения через атмосферный воздух имеет равновероятный характер с их поступлением из почвы.

По коэффициентам биологического поглощения тяжелых металлов проведен сравнительный анализ различных пород деревьев [8]. Установлена характерная положительная корреляционная зависимость КБП по хрому гху = 0.669, р < 0.05 (для липы); по меди Гху = 0.973, р < 0.05 (для липы); по железу Гху = 0.910, р < 0.05 (для липы, берёзы); по никелю гху = 0.873, р < 0.05 (для берёзы); по цинку гху = 0.374, р < 0.05 (для берёзы); по свинцу гху = 0.659, р < 0.05 (для тополя).

Основным источником загрязнения городской среды ионами свинца является автомобильный транспорт. При сравнительном анализе исследуемых пород деревьев выявлено, что максимальное накопление свинца наблюдается в тополе черном. Поэтому целесообразно использовать данный вид древесных растений в озеленении придорожных полос. На городских участках, загрязненных ионами цинка и никеля, для оптимизации экологической обстановки целесообразно высаживать березу повислую. При загрязнении городских территорий ионами железа, хрома и меди целесообразно в целях озеленения использовать смешанные посадки, т.к. ионы хрома и железа в период вегетации лучше накапливаются в листьях тополя черного, а в период осень-весна -в ветвях липы и березы [9].

Выводы

1. Исследована сезонная динамика накопления тяжелых металлов ^е, Zn, Си, №, Сг, РЬ) в древесных насаждениях (липе, берёзе, тополе) на урбанизированной территории г. Ульяновска. Посезонное содержание тяжелых металлов во всех исследуемых породах деревьев можно расположить в ряд: Fe > РЬ > Zn > № > Си > Сг (летний период); Fe > РЬ > № > Си > Сг > Zn (осенний период); Fe > РЬ > Си > № > Сг > Zn (зимний и весенний периоды).

2. Путём проведения корреляционного анализа установлена зависимость между рядом определенных факторов (рН почвы, фоновым содержанием металлов в почве и в атмосферном воздухе) и содержанием ТМ в исследуемых породах деревьев. Выявлено, что положительная корреляционная зависимость между рН почвы и фоновым содержанием металлов в почве приводит к снижению содержания металлов в древесных насаждениях (отрицательная корреляция). Установлено, что наиболее характерная отрицательная корреляционная зависимость между рН почвы и содержанием ТМ во всех породах деревьев прослеживается для группы металлов цинк-медь-никель.

3. При исследовании сезонной динамики содержания ТМ в древесных насаждениях от фонового содержания металлов в атмосферном воздухе была выявлена характерная положительная корреляционная зависимость для никеля, железа, свинца и цинка. Возможность поступления ТМ в древесные насаждения через атмосферный воздух имеет равновероятный характер с их поступлением из почвы.

4. Проведен сравнительный анализ различных пород деревьев по КБП тяжелых металлов. Выявлено, что максимальное накопление свинца наблюдается в тополе черном; цинка и никеля - в берёзе повислой; железа, хрома и меди -в липе и берёзе.

5. Полученные результаты могут быть применены при выборе породы деревьев, высаживаемых в зоне негативного воздействия предприятий и автомобильных дорог, а также при проектировании и строительстве систем очистки сточных вод и газовых выбросов.

Список литературы

1. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. 439 с.

2. Убугунов В.Л., Кашин В.К. Тяжелые металлы в садово-огородных почвах и растениях г. Улан-Удэ. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2004. 128 с.

3. Коломыц Э.Г., Розенберг Г.С., Глебова О.В. и др. Природный комплекс большого города: Ланд-

шафтно-экологический анализ. М.: Наука, 2000. 286 с.

4. Ветчинникова Т.Ю., Ветчинникова Л.В., Титов А.Ф., Морозов А.К. Содержание тяжелых металлов в листьях берез в летний и осенний периоды // Матер. междун. конф. «Современные экологические проблемы Севера» (К 100-летию со дня рождения О.И. Семенова-Тян-Шанского). Апатиты, 2006. С. 170-171.

5. Перельман А.И. Геохимия природных вод. М.: Наука, 1982. 154 с.

6. Шарифзянов Р.Б., Давыдова О.А., Климов Е.С. Влияние промышленных предприятий на накопление тяжёлых металлов в древесных насаждениях // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Сер. технические науки. 2009. № 3. С. 35-37.

7. Давыдова О.А., Шарифзянов Р.Б., Климов Е.С. Содержание тяжелых металлов в древесных насаждениях в условиях промышленного города (на примере г. Ульяновска) // Современные наукоемкие технологии: Матер. научной междун. конф. «Окружающая среда и развитие человека», Иркутск, 2010. № 7. С. 215-216.

8. Шарифзянов Р.Б., Давыдова О.А., Климов Е.С. Коэффициент биологического поглощения как один из критериев накопления ионов тяжелых металлов в различных породах древесных растений // Успехи современного естествознания: Матер. VIII научной междун. конф. «Экология и рациональное природопользование», Хургада, Египет, 2011. № 4. С. 103-104.

9. Шарифзянов Р.Б., Давыдова О.А., Климов Е.С. Озеленение урбанизированных территорий в условиях загрязнения ионами тяжелых металлов // Матер. междун. научной конф. «Чтения памяти Э.Л. Вольфа», СПб., 2010. С. 233-234.

FACTORIAL DEPENDENCE OF THE HEAVY METAL CONTENT IN URBAN TREE PLANTATIONS

R.B. Sharifzyanov

The seasonal dynamics of the heavy metal (Fe, Zn, Cu, Ni, Cr, Pb) content in different species of trees (linden, birch, poplar) has been shown. The dependence has been established by correlation analysis between some specific factors (soil pH, the background soil metal content, the background atmospheric air metal content) and the heavy metal content in urban tree plantations. A comparative analysis of different tree species has been carried out by the coefficients of biological absorption of heavy metals.

Keywords: seasonal dynamics, heavy metals, plantations of trees, dependence on the factors, coefficient of biological absorption.