Влияние загрязнения свинцом почв и антропогенных конструктоземов на экологическое состояние газонных злаков в условиях эксперимента

УДК 631.4:577.4

С.В. Гальченко, Ю.А. Мажайский, Т.М. Гусева, А.С. Чердакова

ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СВИНЦОМ ПОЧВ И АНТРОПОГЕННЫХ КОНСТРУКТОЗЕМОВ НА ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ГАЗОННЫХ ЗЛАКОВ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЕРИМЕНТА 1

Приводятся результаты серии лабораторных экспериментальных исследований по оценке способности различных злаков, используемых для создания газонного покрытия в городах, к накоплению в своих органах свинца — одного из опаснейших тяжелых металлов, который в больших концентрациях аккумулируется в почвах урбанизированных территорий. В качестве тест-объектов рассматривались четыре злака: райграс пастбищный (Loliumperenne L.), овсяница красная (Festuca rubra L.), костер безостый (Bromus inermis Leyss.) и мятлик луговой (Poa pratensis L.).

Исследования проводились в условиях модельного эксперимента. Перечисленные растения выращивались в вегетационных сосудах с разными видами почвенных смесей, которые были искусственно загрязнены свинцом в высокой концентрации — 350 мг/кг. Пробы растительных образцов, почвы и почвенных смесей были подвержены атомно-адсорбционному анализу в аккредитованной лаборатории на содержание в них анализируемого тяжелого металла. Установлено, что наибольшей способностью к аккумуляции в своих органах из городской почвы свинца среди четырех изученных злаков обладают райграс пастбищный (Lolium perenne L.), овсяница красная (Festuca rubra L.), костер безостый (Bromus inermis Leyss.), наименьшей — мятлик луговой (Poa pratensis L.).

фиторемедиация почв, тяжелые металлы, свинец, райграс пастбищный, овсяница красная, костер безостый, мятлик луговой, урбанизированные территории.

На фоне природных ландшафтов городские территории выделяются как центры сосредоточения промышленных предприятий и транспорта на сравнительно небольших площадях населения. Функционирование любого города сопровождается постоянным антропогенным изменением исходных природных компонентов на его территории и формированием специфического городского ландшафта. Природные объекты урбанизированной экосистемы отличаются от своих зональных аналогов, подвергаются значительным изменениям, вызванным мощным техногенным прессом на территории города, что ведет к снижению выполнения ими экологических функций. По этой причине все большую долю в городской структуре занимают природно-антропогенные объекты — «природные объекты, измененные в результате хозяйственной и иной деятельности, и (или) объекты, созданные человеком, обладающие свойствами природного объекта и имеющие рекреационное и защитное значение» 2.

Особое экологическое значение в урбоэкосистеме выполняют городские почвы и развитая система озеленения — совокупность озелененных территорий многофункционального назначения, объединенных во взаимосвязанную систему в пространственной и планировочной структуре города, включающих бульвары, скверы, парки, озелененные территории жилых и промышленных районов, санитарно-защитные зоны предприятий и другие виды зеленых насаждений 3.

Озелененные пространства в городах многофункциональны, имеют важное значение для обеспечения нормальной жизнедеятельности города, создания комфортных условий проживания горожан, выполняют ряд важнейших архитектурно-планировочных и экологических функций.

В условиях города практически невозможно встретить природные почвы в традиционном понимании. На процессы почвообразования одновременно и параллельно влияют и естественные биоклиматические факторы, и более мощные антропогенные, что приводит к формированию на

1 Исследования в рамках реализации проекта, поддержанного грантом РФФИ № 15-05-04554 «Фиторемедиация городских почв, загрязненных тяжелыми металлами, декоративными цветочными культурами и злаками газонов».

2 Об охране окружающей среды: федер. закон от 10.01.2002 № 7-ФЗ (ред. от 29.12.2015), ст. 1 // СПС «Гарант».

3 Александровская З.И. и др. Благоустройство городов. М.: Стройиздат, 1984. 341 с.

© Гальченко С.В., Мажайский Ю.А., Гусева Т.М., Чердакова А.С., 2016

урбанизированных территориях специфических почв и почвоподобных тел — урботехноземов. Характерная черта таких «субстратов» — высокая концентрация различных химических загрязнителей, поступающих в основном при депонировании промышленных и транспортных выбросов из атмосферного воздуха. Элементы системы озеленения городов, в том числе и газоны, произрастающие на таких урботехноземах, не всегда качественно выполняют свои декоративно-эстетические и экологические функции. Под влиянием поллютантов происходит дефрагментации газонного покрытия, исчезает его «ковровость», густота стояния, полное или частичное отмирание газона. Особую опасность для растений представляют тяжелые металлы — токсичные загрязнители почв многих крупных промышленных центров.

Одним из способов улучшения экологического состояния городской территории служит искусственное конструирование природно-антропогенного субстрата, засыпка верхнего загрязненного слоя искусственно созданным почвоподобным образованием с улучшенными свойствами. Такую разновидность урботехнозема со специально задаваемыми свойствами, исходя из потребностей произрастающих на них зеленых насаждений, гидрогеологических условий и положением в рельефе, называют конструктоземом 4

Необходимость замены химически загрязненной, токсичной и деградированной почвы городов на конструктозем обоснована возможностью управлять его свойствами, поддерживать продуктивность, способностью нейтрализовать токсичные загрязнители и в конечном итоге оптимизировать экологическое состояние.

Исходя из вышесказанного нами была сформулирована цель научного исследования: изучить экологическое состояние газонных злаков, выращенных на различных по составу и свойствам конструктоземах в условиях загрязнения свинцом — тяжелого металла первого класса опасности.

Создание конструктозема связано с засыпкой системы насыпных слоев из различных грунтов и экологически чистых почв. В наших исследованиях мы использовали следующие варианты почвенных смесей:

- дерново-подзолистая почва (ДП) и чернозем выщелоченный (ЧВ) в соотношении 1:1;

- дерново-подзолистая почва (ДП) и серая лесная (СЛ) в соотношении 1:1;

- дерново-подзолистая почва (ДП), серая лесная (СЛ) и торфяная почвы ТП) в соотношении 1:1:1.

Выбор почвенных смесей обосновывался экономической выгодой и экологической безопасностью, так как для создания конструктоземов наиболее оптимальным является использование природных почв, не загрязненных химическими токсикантами и расположенных в доступном удалении от города. Так, большая часть территории города Рязани располагается в зоне с серыми лесными почвами, небольшая часть — в зоне дерново-подзолистых почв. Удобными для доставки и использования в качестве материала для создания насыпного конструктозема являются также торфяные почвы и чернозем выщелоченный.

Исследования проводились в вегетационных сосудах в условиях модельного эксперимента. В качестве тест-объектов рассматривались четыре злака: райграс пастбищный (Lolium perenne L.), овсяница красная (Festuca rubra L.), костер безостый (Bromus inermis Leyss.) и мятлик луговой (Poa pratensis L.), которые широко применяются для создания газонов в городах Российской Федерации. В каждом из сосудов было искусственно смоделировано загрязнение свинцом (РЬ2+ ) в концентрации 350 мг/кг почвенных смесей.

Обоснованием для проведения эксперимента послужили данные лабораторного опыта по определению влияния загрязнения свинцом зональной серой лесной городской почвы на экологическое состояние газонных злаков. В результате проведенного эксперимента было установлено, что основные виды газонных злаков (райграс пастбищный (Lolium perenne L.), овсяница красная (Festuca rubra L.), костер безостый (Bromus inermis Leyss.) и мятлик луговой (Poa pratensis L.)), выращенные на загрязненной свинцом серой лесной почве, уменьшают свою фитомассу (табл. 1) 5.

4 Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах (экологическое значение почв). М.: Наука, 1990. 261 с.; Романюта Е.М. Влияние свойств почвы и антропогенных субстратов на произрастание газонной растительности в условиях Дон-Аксайской поймы: дис. ... канд. биол. наук / Южный федерал. ун-т. Ростов н/Дону, 2013. 196 с.

5 Гальченко С.В. Оценка влияния техногенных выбросов на экологическое состояние урбанизированных систем (на примере города Рязани): дис. ... канд. биол. наук / РГСХА имени П.А. Костычева. Рязань, 2002. 160 с.

Таблица 1

Фитомасса газонных злаков, выращенных в условиях эксперимента

Вариант Фитомасса злака

райграс пастбищный

Серая лесная почва (контроль) 147,0 ± 5,3 112,0 ± 12,4 112,0 ± 5,9 76,0 ± 4,6

Серая лесная почва + 350 мг/кг РЪ2+ 104,0 ± 6,8 63,0 ± 8,2 65,0 ± 7,3 18,0 ± 2,3

Одним из видимых проявлений влияния высокой концентрации свинца в почве на произрастающие на ней растения является изменение их фитомассы. Результаты проведенного нами эксперимента подтвердили данный факт, причем реакция растений на загрязнитель зависит от вида злака. Так, у райграса пастбищного наблюдается уменьшение массы на 29,3 процента по сравнению с контролем, у овсяницы луговой — на 43,7 процента, у костра безостого — на 42,0 процента, у мятлика лугового — на 76,3 процента, то есть из перечисленных злаков наиболее устойчив к загрязнению почвы свинцом райграс пастбищный, а наименее — мятлик луговой. Полученные результаты свидетельствуют о том, что загрязненная свинцом городская почва не может обеспечить нормальное развитие газонного покрытия. Следовательно, необходимо искать новые механизмы, обеспечивающие более полное выполнение газонами своих эстетических и экологических функций.

Далее указанные виды газонных злаков выращивались на разных, разработанных нами трех видах почвенных смесей с целью установления наиболее оптимального конструктозема для каждого из них. Все травы подвергались периодической стрижке, фитомасса собиралась, высушивалась и по завершении эксперимента взвешивалась на электронных весах. Повторность на всех вариантах эксперимента — четырехкратная. Контролем в данном опыте служила зональная для города Рязани серая лесная почва.

Удалось установить, что разные виды злаков образуют неодинаковую фитомассу на разных почвенных смесях (табл. 2).

Таблица 2

Фитомасса газонных злаков в опыте

Фитомасса злака

№ п/п Почвенная смесь райграс пастбищный

1. Контроль: СЛ + 350 мг/кг РЬ2+ 104,0 ± 6,8 63,0 ± 8,2 65,0 ± 7,3 18,0 ± 2,3

2. ДП + ЧВ (1:1) + 350 мг/кг РЬ2+ 106,0 ± 5,4 65,0 ± 7,5 93,0 ±14,2 22,0 ± 4,3

3. ДП +СЛ (1:1) + 350 мг/кг РЬ2+ 153,0 ± 6,5 66,0 ± 7,1 178,0 ±19,8 22,0 ± 5,5

4. ДП + СЛ +ТП (1:1:1) + 350 мг/кг РЬ2+ 137,0 ±3,9 64,0 ± 8,2 118,0 ± 4,6 32,0 ±1,5

Так, во всех вариантах опыта наибольшую фитомассу из исследуемых видов газонных трав набрали костер безостый (Bromus inermis Leyss.) и райграс пастбищный (Lolium perenne L.). При этом оба вида растений лучшие результаты показали на варианте 2 — смеси серой лесной и дерново-подзолистой почв. Количественное значение величины фитомассы костра безостого и райграса пастбищного на данном варианте опыта составили 0,178 г и 0,153 г соответственно. В

сравнении с контролем данные результаты показали увеличение фитомассы у костра безостого на 173,8 процента, райграса пастбищного — на 47 процентов.

У овсяницы красной (Festuca rubra L.) независимо от условий произрастания изменения фитомассы практически не произошло. Данный факт указывает на невысокую требовательность растений к почвенным условиям, при этом стоит напомнить, что загрязнение свинцом серой лесной почвы снижает фитомассу овсяницы красной почти вдвое (112,0 г против 63,0 г).

Для мятлика лугового (Poa pratensis L.) наиболее оптимальным для произрастания стал вариант 3 с почвенной смесью из трех различных почв: дерново-подзолистой, серой лесной и торфяной в соотношении 1:1:1.

Важнейшей экологической функцией растений на урбанизированных территориях является выполнение ими роли биологического фильтра, утилизатора токсичных веществ, накапливающихся в корнеобитаемом слое почвы. Реализация этой функции осуществляется путем «выноса» загрязнителей в надземную часть растений. Данный процесс называется фиторемедиацией. Однако, как показал анализ литературных источников, из высших растений большей способностью к аккумуляции загрязнителей обладают представители класса двудольных 6, а не однодольных, к которому относятся представители семейства злаковых. Но, исходя из того, что для создания газонного покрытия используются в основном злаки, необходимо оценить ремедиационную способность отдельных видов именно этого семейства.

Анализируя результаты эксперимента по второму показателю — накоплению свинца в надземной массе газонных злаков, можно сделать вывод, что, как и величина фитомассы растений, данный показатель зависит от вида растения и от качества корнеобитаемого слоя. Одни и те же злаки, выращенные на разных по составу конструктоземах, в соответствии с вариантами опыта, аккумулируют из поверхностного слоя неодинаковое количество свинца. Полученные результаты представлены в таблице 3.

Таблица 3

Накопление свинца в надземной части у газонных злаков, выращенных на конструктоземах, загрязненных свинцом

№ п/п Почвенная смесь Масса свинца в злаках

райграс пастбищный

1. СЛ + 350 мг/кг РЬ2+ (контроль) 0,004 0,005 0,006 0,003

2. ДП + ЧВ (1:1) + 350 мг/кг РЪ2+ 0,004 0,008 0,01 0,002

3. ДП +СЛ (1:1) + 350 мг/кг РЬ2+ 0,015 0,014 0,022 0,001

4. ДП + СЛ +ТП (1:1:1) +350 мг/кг РЬ2+ 0,007 0,003 0,011 0,004

Так, райграс пастбищный (Lolium perenne L.), костер безостый (Bromus inermis Leyss.) и овсяница красная (Festuca rubra L.) наиболее активно проявляют ремедиационные свойства по отношению к свинцу при выращивании, если поверхностный слой состоит из смеси 50 процентов дерново-подзолистой и 50 процентов серой лесной почв.

У мятлика лугового (Poa pratensis L.) количество свинца в надземной части мало зависело от состава почвенного слоя. Разница в полученных результатах во всех вариантах находилась в пределах достоверности опыта. Ремедиационная способность у этого растения весьма низкая, свинец практически не поступает в надземные органы растения. Данный факт свидетельствует о наличии

6 Черных H.A., Милащенко Н.З., Ладонин В.Ф. Экотоксикологические аспекты загрязнения почв тяжелыми металлами / ОНТИ ПНЦ РАН. Пущино, 2001. 148 с.; Соколов О.А., Черников В.А. Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Кн. 1: Атлас распределения тяжелых металлов в объектах окружающей среды / ОНТИ ПНЦ РАН. Пущино, 1998. 164 с.; Мажайский Ю.А., Гусева Т.М. Тяжелые металлы в экосистемах водосборов малых рек. М.: Изд-во МГУ, 2001. 138 с.

биохимического барьера у растения либо на границе «почвенный слой — подземные органы», либо «подземные органы — надземные органы».

Таким образом, проведенные исследования позволили установить, что конструирование верхнего поверхностного слоя почвы при создании газонов на урбанизированных территориях приводит к увеличению фитомассы большинства исследуемых злаков, даже при условии высокого содержания свинца. Данный факт является очень важным с экологической и эстетической точек зрения. Исключение составляет овсяница красная (Festuca rubra L.). В целом ремедиационные свойства всех изученных злаков достаточно невысокие, но, учитывая тот факт, что растения будут участвовать в создании газонного покрытия весьма длительное время рекомендуем включать изученные виды в смеси газонных трав.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ И ЭЛЕКТРОННЫХ РЕСУРСОВ

1. Александровская, З.И. Благоустройство городов [Текст] / З.И. Александровская [и др.]. — М. : Стройиздат, 1984. — 341 с.

2. Гальченко, С.В. Оценка влияния техногенных выбросов на экологическое состояние урбанизированных систем (на примере города Рязани) [Текст] : дис. ... канд. биол. наук / РГСХА имени П.А. Костычева. — Рязань, 2002. — 160 с.

3. Добровольский, Г.В. Функции почв в биосфере и экосистемах (экологическое значение почв) [Текст] / Г.В. Добровольский, Е.Д. Никитин. — М. : Наука, 1990. — 261 с.

4. Мажайский, Ю.А. Тяжелые металлы в экосистемах водосборов малых рек [Текст] / Ю.А. Мажайский, Т.М. Гусева. — М. : Изд-во МГУ, 2001. — 138 с.

5. Об охране окружающей среды [Электронный ресурс] : федер. закон от 10.01.2002 г. № 7-ФЗ (ред. от 29.12.2015), ст. 1 // СПС «Гарант».

6. Романюта, Е.М. Влияние свойств почвы и антропогенных субстратов на произрастание газонной растительности в условиях Дон-Аксайской поймы [Текст] : дис. ... канд. биол. наук / Южный федерал. ун-т. — Ростов н/Д, 2013. — 196 с.

7. Соколов, О.А. Экологическая безопасность и устойчивое развитие [Текст] / О.А. Соколов, В.А. Черников ; ОНТИ ПНЦ РАН. — Кн. 1 : Атлас распределения тяжелых металлов в объектах окружающей среды. — Пущино, 1998. — 164 с.

8. Черных, H.A. Экотоксикологические аспекты загрязнения почв тяжелыми металлами [Текст] / Н.А. Черных, Н.З. Милащенко, В.Ф. Ладонин / ОНТИ ПНЦ РАН. — Пущино, 2001. — 148 с.

REFERENCES

1. Aleksandrovskaya, Z.I. Blagoustroystvo gorodov [Text] / Z.I. Aleksandrovskaya [i dr.]. — M. : Stroyizdat, 1984. — 341 s.

2. Chernyih, H.A. Ekotoksikologicheskie aspektyi zagryazneniya pochv tyazhelyimi metallami [Text] / N.A. Chernyih, N.Z. Milaschenko, V.F. Ladonin / ONTI PNTs RAN. — Puschino, 2001. — 148 s.

3. Dobrovolskiy, G.V. Funktsii pochv v biosfere i ekosistemah (ekologicheskoe znachenie pochv) [Text] / G.V. Dobrovolskiy, E.D. Nikitin. — M. : Nauka, 1990. — 261 s.

4. Galchenko, S.V. Otsenka vliyaniya tehnogennyih vyibrosov na ekologicheskoe sostoyanie urbanizirovannyih sistem (na primere goroda Ryazani) [Text] : dic. ... kand. biol. nauk / RGSHA imeni P.A. Kostyicheva. — Ryazan, 2002. — 160 s.

5. Mazhayskiy, Yu.A. Tyazhelyie metallyi v ekosistemah vodosborov malyih rek [Text] / Yu.A. Mazhayskiy, T.M. Guseva. — M. : Izd-vo MGU, 2001. — 138 s.

6. Ob ohrane okruzhayuschey sredyi [Electronic resourse] : feder. zakon ot 10.01.2002 g. N 7-FZ (red. ot 29.12.2015), st. 1 // SPS "Garant".

7. Romanyuta, E.M. Vliyanie svoystv pochvyi i antropogennyih substratov na proizrastanie gazonnoy rastitelnosti v usloviyah Don-Aksayskoy poymyi [Text] : dic. ... kand. biol. nauk / Yuzhnyiy federal. un-t. — Rostov n/D, 2013. — 196 s.

8. Sokolov, O.A. Ekologicheskaya bezopasnost i ustoychivoe razvitie [Text] / O.A. Sokolov, V.A. Chernikov ; ONTI PNTs RAN. — Kn. 1 : Atlas raspredeleniya tyazhelyih metallov v ob'ektah okruzhayuschey sredyi. — Puschino, 1998. — 164 s.

S.V. Galchenko, Yu.A.Mazhaysky, T.M. Gusseva, A.S. Cherdakova

THE EFFETS OF LEAD-CONTAMINATED SOILS ON LAWN GRASSES.

AN EXPERIMENTAL STUDY

The paper describes the results of a series of laboratory experiments aimed at assessing the potential of various lawn grasses to accumulate lead, an extremely toxic heavy metal which contaminates urban soils. The experimental study focused on the following lawn grass species: perennial ryegrass (Lolium perenne L.), red fescue grass (Festuca rubra L.), smooth bromegrass (Bromus inermis Leyss.), and Kentucky bluegrass (Poa pratensis L.).

The above-mentioned grass species were grown in vegetative pots with various types of soil mixtures artificially contaminated with lead (350mg/kg).

Vegetation and soil samples were processed in an accredited laboratory by means of atomic absorption spectrometry to evaluate the lead level.

The study shows that perennial ryegrass (Lolium perenne L.), red fescue grass (Festuca rubra L.), and smooth bromegrass (Bromus inermis Leyss.) demonstrate a higher lead accumulation potential, while Kentucky bluegrass (PoapratensisL.) demonstrates a lower lead accumulation potential.

The research was supported by an RFBR grant No 15-05-04554 'Phytoremediation of Urban Soils Contaminated with Heavy Metals by Means of Flowers and Lawn Grasses'.

phytoremediation of soils, heavy metals, lead, perennial ryegrass, red fescue grass, smooth bromegrass, Kentucky bluegrass, urban territories