БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ «ПОЧВА-РАСТЕНИЕ» НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ ПРИАНГАРЬЯ
Шергина О.В.
В настоящее время важнейшим фактором, определяющим функциональные изменения растительности и почвенного покрова, служит химическое загрязнение окружающей среды, вызванное техногенными выбросами. Специфика его воздействия заключается в нарушении биогеохимических циклов многих элементов в компонентах биогеоценозов за счет нерегулируемого привноса вещества с выбросами. Появился новый тип миграции химических элементов – техногенный, который по объему, скорости и интенсивности стал превышать их природное поступление. При этом на урбанизированных территориях поллютанты, как правило, выступают доми-нирующим фактором, определяющим состояние экосистем. По нашему мнению, изучение процессов биогеохимического перераспределения элементов в почвах и растениях, то есть в компонентах, которые выполняют ключевые средообразующие и средозащитные функции в экосистеме, позволяет объективно оценить интенсивность процессов техногенеза на урбанизированных территориях.
В основу исследований положен разработанный нами методологический подход к оценке экологического состояния городов [Шергина, Михайлова, 2007]. Подход базируется на выявлении и исследовании комплекса взаимосвязанных параметров древесных растений и почв на профильно-генетическом уровне и учитывает взаимообусловленное изменение этих компонентов при техногенном загрязнении.
Исследования проводились в 2002–2010 гг. в пределах промышленных городов Приангарья: Иркутска, Ангарска, Усолья-Сибирского, Шелехова, Тайшета. Эти урбанизированные территории относятся к техногенным биогеохимическим провинциям, для которых характерно распространение обширных зон загрязнения растительности и почвенного покрова [Региональный…, 1998; Экогеохимия…, 1993]. С выбросами промышленности и автотранспорта в атмосферу г. Иркутска ежегодно поступает до 155 тыс. т токсичных компонентов, г. Ангарска – до 215 тыс. т, г. Усо-лья-Сибирского – до 42 тыс. т, г. Шелехова – до 39 тыс. т, г. Тайшета – до 10 тыс. т [Государственный…, 2009; Обзор…, 2008].
Для изучения процессов биогеохимического перераспределения элементов в системе «почва-растение» были выбраны городские парковые и лесопарковые зоны. Объектами исследований послужили естественные серые лесные почвы с разной степенью нарушенности верхних горизонтов и древесные породы: сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), лиственница сибирская (Larix sibirica Ledeb.), береза повислая (Betula pendula Roth.), тополь (Populus sp.). Всего было обследовано более 30 парков и лесопарков в городах Приангарья. Большая значимость в исследованиях отводилась изучению растений и почв на фоновых территориях, расположенных в естественных лесах региона, поскольку полученные данные служили базовыми критериями при оценке биогеохимического перераспределения элементов в урбоэкосистемах. Обследование почв осуществлялось как методом отбора проб по генетическому профилю, так и квадратно-конвертным способом усредненных проб из верх-них слоев почвенного покрова [Мотузова, 1988]. Параллельно с обследованием почв на каждом ключевом участке проводился отбор проб хвои (листьев) на содержание элементов и оценивалось состояние деревьев по ряду морфоструктурных параметров. В лабораторных условиях выполнялось определение широкого спектра физико-химических и биохимических показателей почв и растений в соответствии с международной методикой ICP Forests [Manual…, 1994].
Результаты натурных исследований показали, что преимущественное распространение в пределах городских территорий имеют собственно серые лесные слабооподзоленные почвы. Строение профиля этого типа почв представлено последовательностью генетических горизонтов: O–Ad–A–АВ–В(ВЕ)–Вt,f–ВС–С.
Исследования химических свойств серых лесных почв городских территорий показали, что для всех генетических горизонтов системы почвенного профиля характерно нарушение геохимических процессов. Так, для большей части городских почв обнаруживается выраженное снижение актуальной кислотности почвенных суспензий до значений 6,1–7,5 в гумусово-аккумулятивных горизонтах. Смещение реакции городских почв обусловлено воздействием на почвенный покров техноген-ных выбросов промышленных предприятий и выхлопных газов автотранспорта, содержащих в своем составе большое количество щелочных компонентов.
Исследования показали, что нарушение уровня кислотности приводит к изменению миграционной активности ряда элементов, в том числе токсичных. Нами установлено, что подщелачивание органической подстилки и верхних горизонтов почв (рНН2О 6,5–8,0) определяет повышенную миграцию свинца во всем генетическом профиле почв. Об этом же свидетельствуют выявленные линейные зависимости (R2 = 0,74–0,84) между содержанием свинца в верхнем слое почв и других горизонтах генетического профиля: органо-минеральном AB, иллювиальном текстурном Bt,f, почвообразующем С. В фоновых почвах подобные связи проявляются в меньшей степени и только в гумусовых и почвообразующих горизонтах.
Изучение геохимических особенностей поведения элементов-загрязнителей в почвенном профиле показало накопление и перераспределение подвижных форм тяжелых металлов и серы по всем генетическим горизонтам городских почв, вплоть до почвообразующих. При этом уровень свинца в горизонтах почв может превышать фоновые значения до 25 раз, кадмия, меди – до 15 раз. Исследование механизмов перераспределения сульфат-иона в почвенном профиле показало, что генетические горизонты проявляют различную аккумулятивную способность по отношению к нему. Так, высокое содержание подвижной серы, превышающее фоновый уровень до 8 раз, обнаруживается в органической подстилке и верхних гумусовых горизонтах почв (Ad и A), что объясняется высоким поступлением этого элемента на поверхность почвы с техногенными выбросами и прочной фиксацией органическим веществом. В органо-минеральных горизонтах AB и минеральных горизонтах В(ВЕ) отмечается снижение уровня серы, что обусловлено промывным типом режима почв. В иллювиальных текстурных горизонтах Вt,f концентрация серы снова возрастает (до 9 раз в сравнении с фоновыми значениями) за счет прочной фиксации ионов серы иллюви-альными коллоидами. В почвообразующих горизонтах С обнаруживается значительное увеличение содержания серы, фоновый уровень превышен в 24 раза, что указывает на активную фильтрацию сульфат-иона из верхней части почвенного профиля в нижележащие горизонты.
Установленные нами в ходе исследований корреляционные зависимости (r = 0,65–0,88, Р = 0,05, n = 32) между содержанием элементов-загрязнителей в органической подстилке и в нижележащих генетических горизонтах почв – гумусовых, иллювиальных и почвообразующих свидетельствуют о присутствие процесса активной вертикальной миграции поллютантов в системе почвенного профиля на урбанизированных территориях Приангарья.
Для почв городских территорий обнаружены значительные изменения в составе почвенного поглощающего комплекса: уровень обменных форм кальция в верхних горизонтах почв увеличивается по сравнению с фоном в 1,4–10 раз, магния и калия – в 1,2–2,5 раза, натрия – в 1,2–6 раз. О поступлении этих элементов на поверхность почвы с техногенными пылевыми выбросами свидетельствуют достоверные корреляционные связи между содержанием обменных катионов в органической подстилке и горизонтах почвенного профиля (r = 0,74–0,86, Р = 0,05, n = 32).
В ходе исследований установлено, что в городских почвах катионы почвенного поглощающего комплекса (K+, Na+, Ca2+, Mg2+) в первую очередь взаимодействуют с элементами-поллютантами (их подвижные формы), что сопровождается изменением их миграционной способности в почвах. Так, для генетических горизонтов городских почв были выявлены прямые корреляционные связи между содержанием обменных форм кальция, магния, натрия и подвижных форм свинца и серы (r = 0,78–0,88, Р = 0,05, n = 85). Эти взаимодействия свидетельствуют о том, что в городских почвах элементы-загрязнители способны образовывать прочные связи с катионами почвенного поглощающего комплекса.
При выяснении специфики миграционной способности тяжелых металлов в генетическом профиле было обнаружено, что они проявляют высокую химическую активность по отношению друг к другу. В пределах почвенного профиля на городских территориях выявляется следующий ряд корреляций (в порядке убывания) между накоплением подвижного свинца и других тяжелых металлов: Zn>Cu>Cd>Mn. На основании полученных данных можно утверждать, что существует общность ме-ханизмов миграции элементов-загрязнителей в системе почвенного профиля.
О значительном уровне загрязнения древесных растений в урбоэкосистемах Приангарья свидетельствует накопление в хвое и листьях ряда элементов. Так, на урбанизированной территории Иркутска концентрация свинца в хвое и листьях деревьев, произрастающих в центре города, превышает фоновые значения до 15 раз, кадмия – до 8 раз, меди и серы – до 5 раз. На участках городской территории, прилегающих к ТЭЦ и промышленным предприятиям, превышение фоновых концентраций свинца в хвое и листьях еще большее – до 25 раз. Для деревьев, произрастающих на городских окраинах, выявлено небольшое (от 2 до 3 раз) превышение уровня элементов-загрязнителей в ассимиляционных органах.
Результаты исследований свидетельствуют, что подвижные формы тяжелых металлов и серы изменяют миграционную способность и доступность обменных катионов для корневых систем растений, что приводит к нарушению трендов основных биогенных элементов и их дисбалансу в ассимилирующей фитомассе древесных растений. Установлено, что тренды к увеличению содержания азота (до 80%), кальция и натрия (до 3,5 раз) в ассимиляционных органах древесных растениях обуслов-лены повышением концентраций этих элементов в верхних гумусовых горизонтах почв города (r = 0,52–0,86, Р=0,05, n=32).
При сопоставлении данных о содержании токсикантов в почвенных горизонтах с их концентрацией в хвое и листьях деревьев на городской территории установлены прямые корреляционные связи. Например, довольно высоки коэффициенты корреляции между накоплением свинца в горизонтах почв и его содержанием в ассимиляционных органах растений (r = 0,52–0,75, Р=0,05, n=32). Исходя из этих данных, можно говорить о наличии процесса высвобождения свинца в почвенный раствор и об его активном поступлении в корневую систему и далее в ассимиляционные органы древесных растений из всей глубины профиля серых лесных почв города.
Нами обнаружено, что в условиях техногенного загрязнения в хвое и листьях деревьев происходят нарушения в соотношениях элементов. Показано, что в ассимиляционных органах городских деревьев увеличивается доля серы, свинца, кадмия, меди на фоне снижения долей фосфора, магния, калия, марганца. При этом на городских окраинах (лесные и лесопарковые территории) дисбаланс между элементами наименьший.
В ходе исследований показано, что на урбанизированных территориях наряду с неблагоприятными эдафическими условиями, определяющим фактором ухудшения жизненного состояния древесных растений служит фолиарное воздействие. Значимость фолиарного поглощения элементов-загрязнителей на урбанизированной территории Иркутска показана на примере диоксида серы. Выявлена прямая зависимость между накоплением серы в хвое и листьях деревьев и ее содержанием в атмосферном воздухе (r = 0,88–0,92, Р=0,05, n=16). На фоновых территориях подобных достоверных корреляционных связей не обнаруживается.
В целом, полученные результаты свидетельствуют о значительном содержании элементов-загрязнителей во всех генетических горизонтах городских почв Приангарья. Особенно высокий их уровень выявлен в гумусово-аккумулятивных, иллювиальных текстурных и почвообразующих горизонтах серых лесных почв, где фоно-вые значения превышены в 25 раз. Установлены нарушения кислотности и состава почвенного поглощающего комплекса, что приводит к накоплению элементов-загрязнителей в генетических горизонтах почв, а также к изменению миграционной активности ряда элементов в системе почвенного профиля.
Обнаружено активное накопление и интенсивная миграция элементов-загрязнителей в системе «почва – древесные растения». Показано, что поллютанты неорганической природы (тяжелые металлы и диоксид серы) оказывают сильное негативное воздействие на физико-химические свойства почв и жизненное состояние деревьев. Уровень элементов-загрязнителей в хвое и листьях городских деревьев превышает их фоновое содержание от 2 до 25 раз, что вызывает дисбаланс между биогенными элементами и поллютантами.
Наличие достоверных корреляционных связей между содержанием элементов-загрязнителей в горизонтах почвенного профиля и уровнем их концентрации в хвое и листьях городских деревьев подтверждает высокую экологическую значимость почвенного покрова и древесных растений в перераспределении потоков загрязняющих веществ на урбанизированной территории.
Литература:
1. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2008 году // Иркутск: Министерство природных ресурсов и экологии Иркутской области. – 2009. – 410 с.
2. Мотузова Т.В. Принципы и методы почвенно-химического мониторинга // М.: Изд-во МГУ. – 1988. – 99 с.
3. Обзор выбросов загрязняющих веществ в атмосферу городов Иркутской области за 2008 г. // Управление федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Иркутской области. –2008. – 25 с.
4. Региональный экологический атлас // Новосибирск: Изд-во СО РАН. – 1998. – 321 с.
5. Шергина О.В., Михайлова Т.А. Состояние древесных растений и почвенного покрова парковых и лесопарковых зон г. Иркутска // Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН. – 2007. – 200 с.
6. Экогеохимия городов Восточной Сибири // Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН. – 1993. – 108 с.
7. Manual on Methodologies and Criteria for Harmonized Sampling, Assessment, Monitoring and Analysis of the Effects of Air Pollution on Forests // Hamburg, Prague: United Nations Environment Programme and Economic Commission for Europe. – 1994. – 477 p.
