Экологическое состояние почвенно-растительного покрова природно-антропогенных ландшафтов г. Архангельска

УДК 631.416

ПОПОВА Людмила Фёдоровна, кандидат химических наук, доцент Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова, профессор Российской академии естествознания. Автор более 100 научных публикаций, в т.ч. двух монографий и двух учебно-методических пособий

НИКИТИНА Мария Викторовна, ассистент кафедры химии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор 18 научных публикаций

НАКВАСИНА Елена Николаевна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующая кафедрой лесоводства и почвоведения Северного (Арктического) федерального университета. Автор 196 научных публикаций, в т.ч. 5 монографий, 12 учебнометодических пособий

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ Г. АРХАНГЕЛЬСКА *

Состояние почвенно-растительного покрова городской среды в настоящее время можно рассматривать как диагностический признак, характеризующий уровень антропогенного воздействия. В данной статье оценивается нагрузка на природно-антропогенные ландшафты г. Архангельска - лесной и луговой, путем анализа содержания тяжелых металлов (меди, цинка и свинца) и элементов питания (азота, фосфора и калия) в растениях и почвенном покрове.

Почвенно-растительный покров, природно-антропогенные ландшафты, тяжелые металлы, элементы питания

Почвенно-растительный покров занимает особое место в экологических системах и выполняет различные функции, важнейшая из которых - экологическая. Наряду с естественными факторами, значимым при его формировании и развитии является антропогенный фактор, который воздействует как прямо, так и косвенно [1]. Уровень антропогенного воз-

© Попова Л.Ф., Никитина М.В., Наквасина Е.Н., 2011

* Исследования поддержаны грантом РФФИ-Север №08-

действия можно оценить по степени загрязнения почвенно-растительного покрова поллю-тантами и по изменению биогеохимических процессов в экосистемах. В связи с этим содержание и распределение химических элементов (загрязнителей и элементов питания) в городских почвах и растительности можно рассматривать как диагностический признак,

0498808.

характеризующий уровень антропогенного воздействия [2-4]. Особый интерес представляет выявление степени антропогенной трансформации различных ландшафтных систем, формирующихся в городской среде.

Особенностью г. Архангельска, расположенного на берегу р. Северной Двины и островах, является пространственная разобщенность урболандшафтов, комплексность их размещения, что в целом характерно для городов диффузного типа. В состав территории города, которая достигает в длину более 35 км, входят природно-антропогенные лесные и луговые ландшафты, которые чередуются с техногенно-урбанизированными промышленными и селитебными [5, 6]. В результате на луговые и лесные ландшафты оказывается существенное антропогенное воздействие, которое приводит к их трансформации. Лесные ландшафты в основном смещены к периферийной части города: к пойменной в восточной части и к лесной - в западной. Их почвы представлены в основном высокозольным торфом со слабо-кислой реакцией среды (рН 5,7-6,9). Луговые ландшафты сконцентрированы крупными фрагментами в пойменной левобережной части, мелиорированы. Они встречаются мелкими островками в северной, менее населенной части города в островной пойме. Почвы луговых ландшафтов представлены дерновыми и луговыми аллювиальными, как правило, тяжелыми по гранулометрическому составу. Содержание гумуса в них колеблется от среднего до высокого (1,5-5,2%), почвы по реакции среды слабокислые или нейтральные (рН 6,1-7,4). Луга нередко используются в качестве пастбищ и сенокосов.

Целью данного исследования было выявление степени антропогенного воздействия на луговые и лесные ландшафты г. Архангельска. Оценка антропогенной нагрузки проводилась путем анализа валового содержания тяжелых металлов (ТМ) (меди, цинка и свинца) и содержания подвижных форм элементов питания (ЭП) - калия (К2О), азота (N0^), фосфора (Р2О5) (табл. 1). Определение ТМ

проводили атомно-адсорбционным методом, нитратного азота и ионов калия - методом прямой потенциометрии, фосфат-ионов -фотометрически по методу Кирсанова. ТМ и ЭП определяли в каждом почвенном горизонте пробных площадей (1111) [7, 8], а также в надземной (листья и побеги) и подземной (корни) частях разнотравья, произрастающего на этих почвах [9]. Для почвенных разрезов рассчитывали средневзвешенное содержание химических элементов с учетом мощности горизонта.

Оценку степени химического загрязнения почв проводили с помощью санитарно-гигиенического нормирования содержания ТМ в почвенно-растительном покрове путем соотнесения фактически определенной концентрации элементов с предельно-допустимой концентрацией (ПДК). Однако в связи с тем, что система единых национальных нормативов не учитывает региональных особенностей, а для ионов калия и фосфат-ионов ПДК не установлены, масштабы изменений, произошедших под влиянием антропогенных факторов, определялись с использованием биогеохимических коэффициентов [1]:

• для характеристики и выявления локальных техногенных аномалий рассчитывался коэффициент концентрации (Кк), равный частному от деления концентрации элемента в почве ландшафта к его концентрации в почве «фоновой» территории. В качестве «фоновых» значений использовались данные с реперных участков (20 1111) станции агрохимической службы «Архангельская»;

• интенсивность загрязнения почв была оценена по суммарному коэффициенту антропогенного воздействия = ХКс - (п-1), где Кс = С/Сфон; С - содержание элемента в почве исследуемого ландшафта, мг/кг; Сфон - содержание элемента в почве фоновой территории, мг/кг; п - число загрязнителей [10];

• для характеристики депонирующих свойств корня использовался коэффициент задержки Кз = Ск/Сс, где Ск - содержание элемента в корне, мг/кг; Сс - содержание в надземных органах, мг/кг.

Таблица 1

СРЕДНЕВЗВЕШЕННОЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ В ПОЧВАХ ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ г АРХАНГЕЛЬСКА, мг/кг

Ландшафт Фон ПДК [11]

Луговой

Си 7,6-12,8 9,6 3,9-115,2 20,6 11,1 53,0

РЬ 2,0-8,4 5,4 0,45-25,8 10,2 13,3 32,0

2п 14,5-94,9 54,6 6,9-109,4 55,0 40,4 87,0

ш3- 38,2-94,1 63,6 2,1-225,1 42,5 5,3 130,0

Р2О5 24,1-207,3 78,0 90,1-431,0 279,8 162,0 -

К2О 91,2-235,2 138,2 6,5-120,8 37,8 118,0 -

Примечание. В числителе - минимальная и максимальная концентрации ТМ, в знаменателе - средневзвешенное значение.

Несмотря на близость к транспортным магистралям, производственной и селитебной сферам города, почвы лугового ландшафта по содержанию меди, цинка и свинца достаточно чистые. Превышения ПДК по данным поллютантам не отмечается, в отличие от почв лесного ландшафта, где наблюдается превышение ПДК по цинку и меди (1,1—1,4 ПДК) на пробных площадях, расположенных в районе промышленных окраин (Цигломень,

Южная Маймакса). На этих ПП также замечено превышение содержания (1,71 ПДК) нитрат-ионов.

Эти данные подтверждаются значениями коэффициента концентрации Кк (рис. 1). В почвах лесного ландшафта по данным элементам наблюдается существенное превышение фона (Кк > 1), что свидетельствует об антропогенном загрязнении.

При сравнении совокупного действия ТМ на природные ландшафты было выявлено, что

для лугового ландшафта суммарный показатель загрязнения составляет 0,4, т.е. данные почвы не испытывают техногенной нагрузки, тогда как для лесного ландшафта = 2,8, что считается допустимой степенью антропогенного воздействия [11]. По всей видимости, нали-

Рис. 1. Значение коэффициента концентрации (К ) для почв естественных ландшафтов г. Архангельска

чие многолетних древесных растений, а также особенности почвообразовательного процесса и водного режима, способствуют накоплению поллютантов в почвенном покрове лесов.

Лесные почвы содержат избыточное количество фосфат-ионов, т.к. они преимущественно представлены слаборазложившимися опадом и торфом. Однако в такой форме фосфат-ионы являются недоступными для растений. В отличие от луговых почв здесь содержится незначительное количество калия, который, по всей видимости, выносится растениями.

Луговые почвы, в отличие от лесных, по содержанию элементов питания испытывают дефицит фосфат-ионов, что объясняется активным выносом фосфатов вместе с растительностью, убираемой с лугов в период сенокосов.

В почвах городских лесов и лугов отмечается существенный избыток нитрат-ионов. Для луговых почв он объясняется использованием почв для выгонов, а в лесных почвах дополнительным источником нитратов является обильная лесная подстилка, из которой

они вследствие своей высокой подвижности легко вымываются.

Антропогенная нагрузка на почвенный покров напрямую сказывается и на растительности. Оценка этого воздействия на разнотравье природных ландшафтов Архангельска проводилась с использованием коэффициента Кк Для сравнения содержания ТМ и ЭП в разнотравье исследуемых ландшафтов нами проанализированы растения, произрастающие на условно незагрязненном участке, расположенном в районе дер. Бабонегово. Анализ содержания ТМ в растительном покрове не выявил превышения ПДК на исследуемых ландшафтах. Однако в сравнении с условно незагрязненными растениями содержание меди, цинка и свинца в них превышено. Особенно это заметно по цинку и меди в лесном разнотравье, что обусловлено высоким их содержанием в почвенном покрове. В луговом разнотравье наблюдается превышение по свинцу, что связано с аэротехногенным характером поступления поллютантов на участках вблизи транспортных магистралей (табл. 2).

Таблица 2

СОДЕРЖАНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ В РАЗНОТРАВЬЕ ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ Г. АРХАНГЕЛЬСКА, МГ/КГ

Разнотравье лугов Разнотравье лесов Растения, условно не загрязненные (п=2) ПДК [1]

Надземная часть (п=5) Подземная часть (п = 5) К к Надземная часть (п=5) Подземная часть (п=5) К к

Си 5,0 7,0 1,8 3,2 3,9 4,3 3,2 50

2п 26,7 67,1 1,4 66,0 119,1 4,3 30,8 150

РЬ 0,4 2,7 6,1 1,1 3,7 2,0 0,2 5

N0; 1054,2 44,0 0,7 740,2 531,8 4,7 114,1 1500

РА 4434,2 2494,1 0,3 8631,1 1603,2 0,5 10388,2 -

К2О 3475,2 6259,3 2,7 4097,2 360,0 1,2 1817,2 -

В разнотравье лугов и лесов по сравнению с условно незагрязненной территорией наблюдается интенсивное накопление К2О (Кк > 1) и существенный дефицит фосфора. Для растений лугов это закономерно связано с недостатком содержания

фосфора в почве. В то же время в лесах, где наблюдается зафосфачивание почв, недостаток его в растениях можно объяснить недоступностью для поглощения фосфора, входящего в состав слаборазложившегося торфа.

Таблица 3

ЗНАЧЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАДЕРЖКИ

ДЛЯ РАЗНОТРАВЬЯ ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ

Г. АРХАНГЕЛЬСКА

Ландшафт Металлы

Си Zn РЬ N0, Р205 «2°

Лесной 1,4 2,0 15,4 0,5 0,3 1,0

Луговой 2,0 1,1 10,1 2,4 1,8 0,6

Условно незагрязненный 1,1 1,5 1,5 1,0 1,2 0,1

В разнотравье лесов, в отличие от лугового разнотравья, происходит интенсивное накопление нитратного азота, который поступает в почву при разложении опада в лесную подстилку и далее в локальный круговорот. В надземной и подземной частях растительности лесов нитрат-ионы распределены относительно равномерно, а в растениях лугов происходит интенсивное накопление нитратов в надземной части (табл. 3). В растениях лугового и лесного ландшафта в условиях избыточного содержания калия увеличивается его содержание в подземных органах. Это подтверждает и значение коэффициента задержки Кз, который позволяет выявить биогеохимические «сдвиги» в растительном покрове при антропогенном воздействии.

Для обоих природно-антропогенных ландшафтов значение коэффициента задержки по ТМ больше 1, что указывает на депонирующую роль корня относительно этих поллютантов. Особенно высок Кз для свинца. Это обусловлено наличием хорошо действующей в растениях системы инактивации

этого металла, являющегося токсичным и в отличие от цинка и меди даже в небольших концентрациях не играющего существенной биологической роли в растении [12].

Таким образом, луга и леса в условиях урбанизированной среды Архангельска по-разному реагируют на антропогенное загрязнение, что связано с особенностями растительности и почвообразования. Несмотря на близость техногенно-урбанизированной территории, луговые почвы оцениваются как незагрязненные по таким поллютантам, как медь, цинк и свинец, а почвы лесов г. Архангельска испытывают допустимую степень антропогенной нагрузки. По элементам питания лесные почвы испытывает недостаток калия и имеют избыточное содержание фосфат-ионов, а луговые, наоборот, - избыток калия и недостаток фосфат-ионов. Почвы обоих ландшафтов испытывают существенный избыток нитрат-ионов. В результате, изменение содержания элементов питания в почвенном покрове, вызванное антропогенным воздействием, приводит к биогеохимическим «сдвигам» в сторону перераспределения элементов питания в растениях.

Список литературы

1. Бычинский В.А., Вашукевич Н.В. Тяжелые металлы в почвах в зоне влияния промышленного города. Иркутск, 2008.

2. Клименьтев А.И., Ложкин И.В., Трубин А.П. Геоэкологическая оценка почвенного покрова урбанизированных территорий (на примере г. Оренбурга). Екатеринбург, 2006.

3. Уфимцева М.Д., Терехина Н.В. Фитоиндикация экологического состояния урбоэкосистем Санкт-Петербурга. СПб., 2005.

4. Хрусталева М.А. Экогеохимия моренных ландшафтов центра русской равнины. М., 2002.

5. Наквасина Е.Н., Думанская Т.И. Ландшафтная организация территории Архангельска (на примере Кузнечевского промузла) // Экологические проблемы Севера: межвуз. сб. науч. тр. / отв. ред. П.А. Фекли-стов. Архангельск, 2007. Вып. 10. С. 152-155.

6. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафтов. М., 2000.

7. ФР 1.31.2007.04106. Методика выполнения измерений массовых концентраций токсичных металлов в пробах почв атомно-адсорбционным методом. М., 2001.

8. Теория и практика химического анализа почв / под ред. Л.А. Воробьевой. М., 2006.

9. Методические указания по определению тяжелых металлов в кормах и растениях и их подвижных соединений в почве. М., 1993.

10. МУ 2.1.7.730-99. Федеральные санитарные правила, нормы и гигиенические нормативы. Гигиенические требования к качеству населенных мест. М., 1999.

11. Черных Н.А. Экологический мониторинг токсикантов в биосфере: моногр. М., 2003.

12. Кулагин А.А., Шагиева Ю.А. Древесные растения и биологическая консервация промышленных загрязнителей. М., 2005.

Popova Lyudmila, Nikitina Maria, Nakvasina Elena

ECOLOGICAL CONDITION OF THE SOIL-VEGETATIVE COVER OF NATURAL-ANTHROPOGENIC LANDSCAPES IN ARKHANGELSK

The current condition of the soil-vegetative cover of the urban environment can be considered as a diagnostic feature, which characterizes the level of anthropogenic influence. This article evaluates the load on the natural-anthropogenic landscapes of Arkhangelsk, forest and meadow ones by means of analyzing the content of heavy metals (copper, zinc and lead) and nutrition elements (nitrogen, phosphorus and potassium) in the plants and soil cover.

Контактная информация: Попова Людмила Федоровна e-mail: fc.chemistry@pomorsu.ru; luda9857@pochta.ru Никитина Мария Викторовна e-mail: vitama@rambler.ru Наквасина Елена Николаевна e-mail: elnak@atnet.ru

Рецензент - Болотов И.Н., доктор биологических наук, заместитель директора по научным вопросам Института экологических проблем Севера Уральского отделения Российской академии наук