Эколого-геохимическая оценка состояния растительного покрова города Саяногорска (Республика Хакасия)

УДК 504.05/06

ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ РАСТИТЕЛЬНОГО ПОКРОВА ГОРОДА САЯНОГОРСКА

© С.С. Дубынина

Ключевые слова: городская среда; растительный покров; фитомасса; запасы зеленой массы и ее химический состав.

Представлены результаты исследования эколого-геохимического состояния растительного покрова г. Саяногор-ска. Установлено, что изменение запасов зеленой массы городов происходит в искусственных техногенных и естественных условиях (в пределах природных рубежей) - культурные насаждения, газоны, скверы, бульвары, дворы, парки. Обнаружено, что растения в городах развиваются в условиях сильного угнетения, поступающих из воздуха и загрязненных почв, а также твердых бытовых отходов, стихийных свалок. Изучено содержание химических элементов, в т. ч. тяжелых металлов, показана тенденция накопления их в растительном покрове.

ВВЕДЕНИЕ

Жизнь и деятельность человека в условиях города становится основной ареной жизни. С каждым годом увеличивается численность населения и площадь земель, оказавшихся в черте города и испытывающих их влияние. Процесс антропогенизации природной среды в городах контролируется зонально-климатическими условиями, но давление городского хозяйства изменяет состав атмосферного воздуха, поверхностных вод, почв и растительности. Многие города, не являясь крупными промышленными центрами, испытывают значительные экологические нагрузки. Свойства городской среды играют в жизни человека большую роль, и направление их развития заслуживает пристального изучения. Различные производства, автотранспорт и жилые кварталы в городах влекут за собой большое количество экологических проблем. Эти проблемы способны брать на себя почва и растительность, которые являются аккумулирующими звеньями городских экосистем [1].

Почвенный покров городов - это сложная и неоднородная природно-антропогенная биогеохимическая система. Почвенный покров городских территорий подвергается коренному преобразованию. На больших площадях, под магистралями и кварталами, он физически уничтожается, а в зонах рекреаций - парки, скверы, дворы - сильно уничтожается, загрязняется бытовыми отходами, вредными веществами из атмосферы, обогащается тяжелыми металлами, обнаженность почв способствует водной и ветровой эрозии.

Растения - один из наиболее чутких индикаторов загрязнения состояния городской среды, т. к. растительный покров является первым экраном на пути осаждения атмосферных выпадений. Растительный покров городов обычно практически полностью представлен «культурными насаждениями» - парками, скверами, газонами, цветниками, аллеями. Структура антропогенных фитоценозов не соответствует зональным и региональным типам естественной растительности.

Поэтому развитие зеленых насаждений городов протекает в искусственных условиях, постоянно поддерживается человеком. Производственные комплексы, концентрируясь, как правило, в черте города подвергают его значительному техногенному давлению, в результате чего состояние среды в местах проживания большинства населения остается неблагополучным. Окраины города, занимающие большие площади лесных и травяных массивов, имеют значительный положительный баланс кислорода и ресурсы чистого воздуха. Среди химических загрязнений тяжелые металлы имеют особое значение. Их избыточное поступление в организм нарушает процессы метаболизма, тормозит рост и развитие [2].

Цель данной работы - дать характеристику современного эколого-геохимического состояния растительного покрова г. Саяногорска.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Саяногорск - молодой город Хакасии, расположен на юге Койбальской степи, переходящей в предгорья Западного Сояна на левом берегу Енисея.

В 1975 г. около села «Означенное» возник город Саяногорск на базе строительства Саяно-Шушенской ГЭС. Название отражает расположение города у подножья Саянских гор при выходе Енисея из Саянского коридора. В окрестностях города размещены заводы и предприятия цветной металлургии (Саянский и Хакасский алюминиевые заводы), комбинаты «Саянмрамор», сборно-разборных зданий. Почва и растительность находятся на пересечении всех транспортных путей миграции химических элементов и являются чуткими индикаторами геохимической обстановки в городе.

Объектами изучения служили точки урбанофито-ценозов и их местоположение в городской среде. Зеленые зоны вокруг города, лесопарковые (рекреационные) окультуренные человеком скверы, парки (точки 6, 8, 9), приспособленные для массового отдыха. Внутри-дворовые посадки (точки 14, 17, 11, 19) - это террито-

рии сосредоточения жилых домов, административных зданий, определяются культурфитоценозами, которые несут не только эстетические функции, но и благоприятно действуют на человека. Промышленные зоны -это территории Саянского и Хакасского алюминиевых заводов в 14 км от города. Источниками загрязнения окружающей среды являются подстанции и территории АЗС (точки 22, 23). Транспортные системы пересекают все функциональные зоны города и оказывают влияние на всю городскую среду (точки 2, 5).

Климат г. Саяногорска характеризуется колебаниями годовых и суточных температур, сухостью воздуха, малым количеством осадков, большим количеством ясных дней, сильными ветрами. Близкое соседство Саянских гор создает местные процессы циркуляции воздуха. По классификации климатов [3] климатические условия территории исследования относятся к типу Ш-4С - недостаточно влажный (индекс сухости больше 1) с теплым летом и умеренно холодной зимой.

Используемые методы - ландшафтно-геохимичес-кий, геоботанический и сравнительно-аналитический. Учет надземной массы проводили методом укосов [4]. Размер учетных площадок составлял 0,25 м2, образцы собирались в трех-пятикратной повторности с подбором однородного покрова (ошибка средней не превышает ±15 %). Для определения биологической продуктивности при учете запасов фитомассы использованы следующие термины. «Фитомасса» - синоним массы растительного вещества (живых и мертвых органов надземной части травостоя). Продуктивность характеризуется запасом живых надземных органов растений на единицу площади (г/м2). Определение запасов растительной массы, геоботанические описания и отбор проб осуществлялись в середине вегетационного периода - июль - начало августа. Для оценки горизонтальной проекции видов травянистой растительности

при более развитом глазомере возможно употребление проективного покрытия, которое выражается в % [5].

Все пробы растительного вещества высушивались за 8-12 часов при температуре 105 °С до абсолютно сухого веса, взвешивались, затем производили зольный анализ в муфельной печи при t 450 °С. Содержание макро- и микроэлементов: Сг, №, Fe, Ва, Т^ V, Sr, Со, Си, Мп, РЬ, Mg, Са, Si определяли методом количественного эмиссионного спектрального анализа, единицы измерения мг/кг на золу.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

На территории города по функциональным признакам выделены зоны, которые имеют свои характерные особенности по ряду показателей: видового состава, проективного покрытия и запасам зеленой массы (табл. 1).

Функциональные зоны по уменьшению запасов надземной массы урбанофитоценозов можно расположить в следующий ряд: селитебные, лесопарковые (рекреационные), транспортные, промышленные Зеленые зоны города (лесопарки, скверы, бульвары) сохраняют естественные березово-разнотравно-злаковые фитоцено-зы с проективным покрытием от 70 до 90 % и запасом зеленой массы 151-211 г/м2. Огромна роль зеленых насаждений в очистке воздуха городов.

Тень от деревьев и кустарников защищает человека от избытка прямого и отраженного солнечного тепла. Территории с посадками тополя и клена в селитебной зоне характеризуются разнотравно-пырейно-злаково-подорожниковыми фитоценозами при проективном покрове 60-80 % и запасам зеленой массы от 101 до 141 г/м2. Внутридворовые посадки определяются куль-турфитоценозами, которые несут не только эстетические функции, но и санитарно-экологические, благоприятно

Таблица 1

Сравнительная характеристика функциональных зон г. Саяногорска

Функциональные зоны Урбано фитоценозы, № точек Виды-доминанты п/п, % Запасы зеленой массы, г/м2

Селетебная Разнотравно-злаковые, т. 11 Artemisia vulgaris, A. mongolica, Poly-gonum aviculare 85 122

Разнотравно-бобово-злаковые, т. 14 Vicia unijuga, Artemisia vulgaris 60 104

Разнотравно-пырейно-злаковые с подорожником, т. 17 Plantago media, Poa pratensis, Elytri-gia repens 80 141

Разнотравно-злаковая, т. 19 Poa pratensis, Artemisia vulgaris 75 101

Лесопарковые (рекреационные) Разнотравно-злаковые, т. 6 Capsella Medik, Artemisia vulgaris, Achillea milifolium 90 151

Злаково-разнотравные, т. 8 Elytrigia repens, Achillea milifolium 80 133

Разнотравно-злаковые, т. 9 Achillea milifolium, Elytrigia repens 70 211

Промышленная Разнотравно-бобово-ковыльные, т. 22 Potentilla bifurca , Taraxacum officinale, Stipa grandis 100 192

Злаково-бобово-разнотравные, т. 23 Achillea milifolium, Galium verum Taraxacum officinale 80 154

Транспортные системы Разнотравно-бурьянистые, т. 2 Artemisia vulgaris, Polygonum avicu-lare, Capsella Medik, Artemisia mongolica 85 166

Разнотравно-злаково-полынные, т. 5 Artemisia vulgaris, Polygonum avicu-lare, Capsella Medik, Artemisia mongolica 70 177

действующие на человека. Зеленые насаждения улучшают микроклимат городской территории, предохраняют от чрезмерного прогревания почву, стены зданий, тротуары, создают «комфортные условия» для отдыха на открытом воздухе. Транспортные системы пересекают все функциональные зоны города и оказывают влияние на всю городскую среду. Промышленные зоны -это территории сосредоточения промышленных объектов, которые находятся в 14 км от города с естественным растительным покровом, не утратившего своих зональных черт. Это разнотравно-бобово-ковыльные, злаково-бобово-разнотравные биогеоценозы с проективным покрытием от 70 до 100 %. Запасы зеленой массы составляют от 154 до 194 г/м2.

Транспортные и промышленные системы больше всего оказывают влияние на растительный покров. Эти системы находятся под техногенным прессом поллю-тантов, которые поступают из воздуха городской среды при выпадении и осаждении атмосферных осадков. Способность надземной массы собирать пыль объясняется физиологическим строением растений (опушен-ность листьев, наличие воскового слоя, характер шероховатости, смачиваемости и клейкости). Надземная зеленая масса растений - один из наиболее чутких индикаторов техногенного изменения состояния городской среды. При изучении степени загрязненности городского растительного покрова региона можно судить по коэффициенту биологического поглощения, Кб.с., т. е. по отношению концентрации элемента в исследуемой пробе к его концентрации среднего содержания в литосфере (табл. 2).

Используя данные А.П. Виноградова, для решения ряда геохимических вопросов особенно важно знать средний состав литосферы и средний состав золы растений, т. к. зольные элементы поглощаются растениями из литосферы и после смерти растений попадают в литосферу и гидросферу [6].

Как видно из табл. 2, содержание химических элементов в золе растений отличаются от их среднего содержания в земной коре: растения способны избирательно поглощать и накапливать в золе в большей или меньшей степени некоторые элементы [7]. Анализ величин коэффициента биологического поглощения в золе зеленой массы города Саяногорска составляет следующий ряд: Кб.п. = Mglз,4 Са5>6 Сим Ваи Бги М^б №0,5 Ее = Сг03 "Л = V = Со = РЬ0,2. Формула геохимического ряда показывает, что в значительном количестве накапливаются щелочноземельные элементы - Mg, Са, Ва, Бг.

Направленность техногенной трансформации растительного покрова по содержанию химических элементов, полученных в разных зонах города (табл. 3), можно в известной мере считать прогнозными.

С учетом кларка концентрации в разных функциональных зонах города установлены геохимические ряды элементов, накапливаемых в зеленой массе, которые расположены в порядке уменьшения их коэффициентов концентрации (Кс). Экологическую обстановку территории функциональных зон можно определить по величине суммарного показателя (Яс) [8, 9].

Рассматривая экологический аспект для зеленой массы, следует отметить превышение в них кларка концентрации химических элементов в сравнении с кларком в земной коре и которое составляет геохимический ряд в селитебной зоне: Mg3,3 Ва12 Т109 Са07 Ее06

йг0,б РЬ0,5 N10,4 Vo,з Си0,з Со0,2 Сг0,1 Мп0,1, 7С = 9,2; рекреационной зоне: Mg4,1 Ва28 Бг20 Са14 Т110 №0,5 Си04 Со0,3 Ее03 V0,3 РЬ0,2 Mn0,1 Сг01, 7С = 14,0; промышленной зоне: Mgз,5 Бгм Саи Т112 N10,8 Ее0,5 Ва0,4 Со0,з С^),з Vо,з РЬ0,2 Mn0,1 Сг01, ЯС = 10,4; транспортных зонах: Mg3,3 Са1,2 Т11,0 Бг0,8 N10,4 Ее0,з Ва0,з С^з Vо,2 Со0,2 РЬ0,2 Mnо,l

Cг0,1, %с = 8,2

Таблица 2

Средний состав золы наземных растений и коэффициенты биологического поглощения

Кларки Средний Среднее Средний

элементов коэффи- содер- коэффи-

Кларк Сред- циент жание циент

в лито- нее биологи- в золе биологи-

Эле- сфере, содер- ческого зеленой ческого

мент мг/кг жание погло- массы, погло-

в золе щения, мг/кг, щения,

расте- Кб.с Саяно- Кб.с

ний, горск

мг/кг

Сг 83 250 3,0 21 0,3

N1 58 50 0,9 27 0,5

Ее 46500 10000 0,2 14999 0,3

Ва 650 650 1,0 850 1,3

Т1 4500 1000 0,2 1008 0,2

V 90 60 0,7 18 0,2

Бг 340 300 0,9 357 1,1

Со 18 15 0,8 4 0,2

Са 29600 150000 5,1 164648 5,6

Си 47 200 4,3 65 1,4

Mn 1000 7500 7,5 575 0,6

Mg 1870 7000 3,7 25091 13,4

РЬ 16 10 0,6 3 0,2

Примечание. *Среднее содержание элементов в литосфере и золе растений, по А.П. Виноградову, 1962 г.

Таблица 3

Среднее содержание химических элементов в зеленой массе функциональных зон г. Саяногорска

Функциональные зоны

Элемент Селитеб- Рекреаци- Промыш- Транс-

ная онная ленная портные

Сг 25 17 20 20

N1 21 26 38 19

Ее 6336 3000 5199 3000

Ва 752 1812 250 200

Т1 937 984 1161 1018

V 18 20 15 10

Бг 193 610 424 241

Со 3 5 4 3

Са 107572 215500 193617 173557

Си 64 74 62 57

Mn 555 555 710 512

Mg 23239 28800 24528 23258

РЬ 10 3 3 3

Суммарный показатель элементов для всех функциональных зон г. Саяногорска составляет 41,8. Тем не менее, общим для всех приведенных рядов с наиболее высоким Кс - Mg в растительности. Ряды-формулы характеризуют направленность техногенных изменений среды обитания, в частности, большее накопление в растительном покрове (зеленая масса) щелочноземельных элементов Ca, Mg, Sr, Ba.

ВЫВОДЫ

Таким образом, на основании проведенных исследований установлено, что городская территория находится пока в относительно удовлетворительных условиях.

Необходимо отметить, что большая часть города, в особенности жилые кварталы как старой, так и новой застройки, а также небольшие скверы отвечают среднему уровню загрязнения. Транспортные системы (АЗС) относятся к умеренно опасной и напряженной оценке экологической обстановки, т. к. они пересекают все функциональные зоны города и оказывают влияние на всю городскую среду. Несомненно, огромную роль в усилении загрязнения городских ландшафтов играет и непосредственная близость крупных промышленных предприятий Саянского и Хакасского алюминиевых заводов, находящихся в 14 км от города. Полученные материалы в объектах города можно в известной мере считать прогностическими в силу того, что со временем растительность города будет испытывать все большие нагрузки, особенно от выбросов автотранспорта.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воробьева И.Б., Дубинина С.С. Современное эколого-геохими-ческое состояние почвенного и растительного покрова г. Саяно-

горска (Республика Хакасия) // Экологические проблемы промышленных городов. Саратов, 2013. Ч. 1. С. 28-31.

2. Ткалич С.М. Фитогеохимический метод поисков месторождений полезных ископаемых. Л., 1970. 176 с.

3. Григорьев А.А., Будыко М.И. О периодическом законе географической зональности // Докл. АН СССР. 1956. Т 110. № 1. С. 129-132.

4. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах. М., 1978. 182 с.

5. ШенниковА.П. Введение в геоботанику. Л., 1964. 447 с.

6. Виноградов А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры // Геохимия. 1962. № 7. С. 551-571.

7. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М., 1966. 391 с.

8. Панин М.С. Эколого-биогеохимическая оценка техногенных ландшафтов Восточного Казахстана. Алматы, 2000. 338 с.

9. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. Геохимия окружающей среды. М., 1990. 330 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Статья подготовлена при финансовой поддержке РФФИ в рамках проекта № 14-0400183 «Техногенез и прогноз трансформации ландшафтов в условиях глобальных изменений окружающей среды, научные основы регламентации природопользования».

Поступила в редакцию 25 мая 2014 г.

Dubynina S.S. ECOGEOCHEMICAL ASSESSMENT OF VEGETATION COVER OF CITY SAYANOGORSK

The paper presents the results of environmental and geo-chemical studies of vegetation Sayanogorsk. Found that changes in inventories of green mass in the cities is artificial man-made and natural conditions (within natural borders) - cultural spaces, lawns, squares, boulevards, courtyards and parks. Found that plants in the cities of developing in conditions of strong oppression coming from the air and soil pollution, and solid waste dumps. The content of chemical elements, including heavy metals, shows the trend of their accumulation in the vegetation.

Key words: urban environment; vegetation; standing crops; stocks of green mass and chemical composition.

Дубынина Светлана Сергеевна, Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, г. Иркутск, Российская Федерация, кандидат географических наук, научный сотрудник лаборатории геохимии ландшафтов и географии почв, e-mail: dubynina@irigs.irk.ru

Dubynina Svetlana Sergeyevna, V.B. Sochava Institute of Geography SB RAS, Irkutsk, Russian Federation, Candidate of Geography, Scientific Worker of Laboratory of Geochemistry of Landscapes and Geography of Soils, e-mail: dubyni-na@irigs.irk.ru