ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. В.Н. КАРАЗІНА

Буц Юрій Васильович

УДК 911.2:504.54 (477.52)

ДИНАМІКА ЗАБРУДНЕННЯ ВАЖКИМИ МЕТАЛАМИ ВОДОДІЛЬНИХ

ЛАНДШАФТІВ МАЛИХ РІЧОК ЛІСОСТЕПУ СУМЩИНИ

11.00.11 - конструктивна географія і раціональне використання

природних ресурсів

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Харків - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна,

м. Харків

Науковий керівник: доктор географічних наук, професор Некос Володимир Юхимович, Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, завідувач кафедри геоекології та конструктивної географії.

Офіційні опоненти: доктор географічних наук Волошин Іван Миколайович, Львівський національний університет імені Івана Франка, професор кафедри раціонального використання природних ресурсів та охорони природи. Кандидат географічних наук Клімов Олександр Васильович, Український науково-дослідний інститут екологічних проблем, завідувач лабораторії проблем природних територій та об'єктів особливої охорони.

Провідна установа: Київський національний університет імені Тараса Шевченка, кафедра фізичної географії та геоекології

Захист відбудеться " 10 " квітня 2001 р. о 15.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.04 Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. ІІ-49

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ЦНБ.

Автореферат розісланий " 2 " березня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат географічних наук Жемеров О.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливим питанням сучасності є раціональне використання земель в умовах техногенного навантаження на довкілля, зокрема нейтралізація наростаючого забруднення важкими металами (ВМ). Значною мірою розв'язання цієї проблеми залежить від визначення закономірностей поведінки забруднювачів у ландшафтах. Для розробки конструктивно-географічних основ раціонального природокористування необхідна інформація про структуру, стан та тенденції динаміки і розвитку не лише тих ландшафтів, що перебувають під постійним і різноманітним концентрованим антропогенним навантаженням, але і тих, що знаходяться на значній віддалі від імпактних джерел забруднення. У лісостеповій зоні Сумської області, що в геоекологічному районуванні відповідає Сумському району і входить до Північно-Східного геоекологічного реґіону (Шищенко, Малишева, 1998), основні проблеми природокористування пов'язані з досить високим сільськогосподарським освоєнням реґіону, а також забрудненням ґрунтів ВМ та залишковими речовинами хімічних засобів захисту рослин. Згідно статистичних даних землі користувачів, що займаються сільськогосподарським виробництвом становлять 82,3% від загальної площі території області. Високий рівень антропогенного впливу й активна трансформація ландшафтів, пов'язана із сільськогосподарським навантаженням, окрім акумуляції та міграції хімічних елементів у компонентах ПТК, викликають певні зміни функціональних і геохімічних параметрів. Тому виникає потреба проведення наукових досліджень, що базуються на функціонально-динамічній основі. Отримані результати доцільно співставити й порівняти із заповідними природно-територіальними комплексами. Це сприяє встановленню ступеня забруднення та більш досконалому й детальному аналізу проблем техногенного навантаження на ландшафти. У лісостеповій зоні Сумщини цьому цілком відповідають ПТК філії Українського степового природного заповідника НАН України "Михайлівська цілина". Цим визначається актуальність роботи, в якій разом із встановленням рівня забруднення ВМ, досліджено динаміку їхнього вмісту у складових ПТК в умовах заповідного режиму та в умовах активного сільськогосподарського впливу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Проведення досліджень зумовлене необхідністю реалізації "Основних напрямків державної політики України в галузі охорони довкілля, використання природних ресурсів та забезпечення екологічної безпеки" (Постанова Верховної Ради №188-98), а також "Положення про державну систему моніторингу довкілля" (Постанова Каб. Мін. України від 30 травня 1998, №391). Дисертаційне дослідження є частиною наукової тематики кафедри геоекології та конструктивної географії геолого-географічного факультету ХНУ ім. В.Н. Каразіна "Дослідження регіональних особливостей розповсюдження забруднювачів у компонентах і комплексах довкілля за допомогою дистанційних і контактних методів" і відповідає НДР № 17-12-00, номер держреєстрації 100U003265.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є визначення головних закономірностей сезонної динаміки вмісту ВМ в основних компонентах природно-територіальних комплексів вододілів малих річок лісостепової зони Сумщини і встановлення ступеня їхнього забруднення порівняно із заповідними ПТК. Для досягнення зазначеної мети передбачалось вирішення наступних задач:

1) встановити рівні концентрацій важких металів у ґрунтовому покриві і рослинності експериментальних автономних ПТК земель філії Українського степового природного заповідника НАН України "Михайлівська цілина" та їхніх антропогенних модифікаціях;

2) визначити ступінь забруднення важкими металами ґрунтів та рослин досліджених вододільних лісостепових ПТК агроландшафтів відносно встановленого рівня вмісту ВМ в цілинних ПТК;

3) виявити особливості динаміки валового вмісту і рухомих форм важких металів у ґрунтах і надземних органах рослин цілинних ландшафтів та агроландшафтів;

4) дослідити можливості вмісту важких металів у складі комплексних неорганічних сполук та виявити їх динаміку у ґрунтах досліджених ПТК.

Об'єктом дослідження є вододільні природно-територіальні комплекси лісостепу Сумщини. Предмет дослідження – динаміка вмісту важких металів та рівень забруднення ними компонентів вододільних фацій лісостепової зони Сумщини.

Наукова новизна. В результаті проведених комплексних геоекологічних досліджень на основі багаторічних даних в умовах лісостепу Сумщини вперше було виявлено особливості динаміки валового вмісту та рухомих форм ВМ у ґрунтах, а також сезонну активність біологічного поглинання їх рослинністю.

Встановлено рівень забруднення ВМ ґрунтів і рослин модифікованих інтенсивним сільськогосподарським освоєнням автономних природно-територіальних комплексів відносно аналогічних природних комплексів "Михайлівської цілини".

Проведені експерименти довели можливість вмісту ВМ у складі комплексних неорганічних сполук у ґрунтах. Вперше проаналізовано сезонну динаміку присутності цих сполук у ґрунтах природних і антропогенно модифікованих автономних лісостепових фацій Сумщини.

Аналізуючи динаміку ВМ в експериментальних фаціях, вперше виявлено головні закономірності мінливості їхнього валового вмісту та рухомих форм у компонентах вододільних ПТК малих річок Сумщини протягом вегетаційного циклу.

Практична цінність роботи. Результати досліджень, що спрямовані на виявлення вмісту та динаміки ВМ у складових ПТК філії Українського степового природного заповідника НАН України "Михайлівська цілина", служать в якості еталонних значень при проведенні геоекологічних досліджень ландшафтів лісостепової зони. Репрезентативність експериментальних фацій у лісостеповій зоні за ґрунтовим складом та поширеними видами рослинності дають змогу порівняти аналогічні території, що підлягають активному сільськогосподарському навантаженню, і екстраполювати отримані дані.

Встановлення динаміки вмісту ВМ в агроландшафтах і цілинних ландшафтах на основі результатів дослідження дозволить адекватно оцінити техногенне навантаження на ПТК та прогнозувати зміну їхнього стану. Дані, що отримані за допомогою рентгенофазового аналізу довели можливість наявності ВМ у вигляді комплексних неорганічних сполук і можуть бути використані при дослідженні забруднень автоморфних ґрунтів лісостепової зони.

Отримані результати досліджень мають теоретичне і практичне значення у вирішенні створення банку даних, служити базою для управлінських рішень для забезпечення ґрунтів агроландшафтів мікроелементами, можуть бути використані при складанні ландшафтно-геохімічних карт лісостепової зони Сумщини.

Результати роботи використано при виконанні держбюджетної науково-дослідної теми № 17-12-00 "Дослідження регіональних особливостей розповсюдження забруднювачів у компонентах і комплексах довкілля за допомогою дистанційних і контактних методів", номер державної реєстрації 0100U003265.

Особистий внесок здобувача. В основу роботи покладено дані, що отримані автором протягом 1997-2000 рр. Результати дисертаційних досліджень базуються на більш ніж 3500 елементовизначеннях ВМ у ґрунтах та 640 у рослинах, що проаналізовані методом атомної абсорбції в лабораторії спектрофотометрії Сумського державного педагогічного університету ім.А.С.Макаренка і Сумській обласній станції хімізації сільського господарства. Рентгенофазовий аналіз виконано в хімічній лабораторії Інституту монокристалів НАН України. Участь автора полягає у безпосередньому виконанні комплексу польових робіт протягом експериментальних досліджень, підготовці ґрунтових і рослинних зразків у лабораторних умовах згідно методик аналізу. Власноручно проведено загальні хімічні аналізи: визначення гумусу та фізико-хімічних властивостей ґрунтів. Одноосібно проведена обробка даних із подальшою інтерпретацією результатів та їх узагальнення.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати були представлені на VIII з'їзді Українського географічного товариства (Луцьк, 2000), міжнародній науковій конференції "Генеза, географія та екологія ґрунтів" (Львів, 1999), міжнародній науковій конференції "География на рубеже веков: проблемы регионального развития" (Курськ, 1999), міжнародній науково-практичній конференції "Географічна наука та освіта в Україні" (Київ, 2000), Всеукраїнській науковій конференції "Проблеми ландшафтного різноманіття України" (Київ, 2000), Всеукраїнській науковій конференції студентів та аспірантів "Географічні дослідження в Україні на межі тисячоліть" (Київ, 2000), науковій конференції студентів та аспірантів "Реалії, проблеми та перспективи розвитку географії в Україні" (Львів, 2000), звітно-наукових конференціях Сумського педагогічного університету ім. А.С. Макаренка (Суми, 1999-2001), наукових семінарах кафедри геоекології та конструктивної географії Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна (Харків, 1997-2000).

Публікації. За темою дисертаційного дослідження опубліковано 10 наукових робіт, із них у наукових журналах та збірниках наукових праць - 8, матеріалах конференцій - 2.

Об'єм і структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи - 245 сторінок, у тому числі 164 сторінок основного тексту, 19 ілюстрацій, 12 таблиць, обсягом 27 сторінок, три додатки на 39 сторінках. Список використаних джерел містить 162 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Понятійно-термінологічні засади досліджень динаміки забруднення ландшафтів та обґрунтування вибору об'єктів вивчення. У розділі обґрунтовано важливість проведення конструктивно-географічних досліджень на динамічній основі. Основною рисою сучасного етапу вивчення динаміки ПТК є закономірна зміна структурно-морфологічного етапу розвитку ландшафтознавства на функціональний. Значною мірою це пов'язано з антропогенною трансформацією ландшафтів у другій половині ХХ століття та загостренням екологічних проблем людства внаслідок інтенсифікації природокористування. У вітчизняній науці вагомий доробок у вивченні цих питань сконцентровано у межах геохімічного напрямку конструктивно-географічних досліджень, що вивчають геохімічні властивості ПТК, використовуючи стаціонарні методи досліджень (Геренчук, 1975, Маринич, 1990, Гриневецький, Шевченко, 1990, Пащенко, 1993, Міллер, Мельник, 1993, Гуцуляк, 1994, Малишева, 1997, Волошин, 1998, Козуля, 1999 та ін.).

При дослідженні динаміки забруднення ПТК важливим є визначеність понять їхнього "функціонування", "динаміки", "стану" та "забруднення". Базовими при дослідженні динаміки забруднення ПТК є трактування зазначених термінів, що викладені у працях В.Б.Сочави (1978), А.Г.Ісаченка (1982, 1991), І.І.Мамай (1992), М.Д.Гродзинського (1993). Антропогенний вплив може викликати в ПТК настання нових станів, які накладаються на природні, створюючи антропогенно-природні стани і зміни ПТК (Мамай, 1992). Кожен стан ПТК характеризується певними, типовими лише для нього параметрами, включаючи динаміку вмісту ВМ як один з параметрів. "Забруднення ПТК" визначається не лише як привнесення у складові ПТК шкідливих токсичних хімічних речовин, у тому числі ВМ, а як зміну хімічного складу компонентів ПТК (Добровольский, 1980, Обухов, 1990, Саєт та ін.,1990). В такому разі до ландшафтів забруднених ВМ слід віднести не лише ті де має місце підвищення концентрацій хімічних елементів, але і ті в яких вміст мікроелементів знижений, що також є несприятливим, як і їх високий рівень.

У разі значного сільськогосподарського освоєння лісостепової зони Сумської області, забруднення ландшафтів ВМ пов'язано з технологією сільськогосподарського виробництва, із заходами меліорації, а також частково з техногенними факторами не пов'язаними з сільськогосподарським виробництвом. Це впливає як на підвищення концентрацій ВМ, так виявляється і у дефіциті мікроелементів. Результатом прояву наведених факторів є коливання вмісту ВМ у компонентах ПТК, що спонукає до досліджень динаміки забруднення ними агроландшафтів протягом року.

Вибір вододільних лісостепових ландшафтів для проведення досліджень визначався їхньою репрезентативністю у реґіональному та зональному відношенні, а також відсутністю результатів подібних досліджень з вивчення динаміки вмісту ВМ у їхніх компонентах. Центральне положення цих ПТК в реґіональних і локальних каскадних ландшафтно-геохімічних системах обумовлює небезпечність для техногенного забруднення (Глазовская, 1989). Дослідження спрямовані на виявлення динаміки забруднення ВМ ландшафтів, передбачають контроль за станом природних ПТК та порівняння динаміки вмісту ВМ в компонентах природних і антропогенно модифікованих ПТК. Тому одним з об'єктів досліджень є ПТК філіалу Українського степового природного заповідника НАН України "Михайлівська цілина".

Підходи до вивчення динаміки забруднення ПТК та методика досліджень. Загальнонауковою методологічною базою проведення досліджень динаміки забруднення ландшафтів важкими металами є системний підхід. Застосування при аналізі динаміки забруднення ландшафтів ландшафтознавчого, екологічного, ландшафтно-геохімічного, біогеохімічного підходів дозволило вивчити основні властивості компонентів ПТК як в статичному, так і в динамічному аспектах, що було головною задачею досліджень.

Загальна методика досліджень динаміки забруднення ПТК важкими металами в роботі включає застосування як традиційних методів досліджень, що використовуються в ландшафтознавстві, ґрунтознавстві, геохімії ландшафтів, так і їх комплексне поєднання. З опрацьованих методик, були використані методики запропоновані М.А.Глазовською, (1964, 1989), А.В.Мартиновим (1983), В.А.Снитко, Ю.М.Семеновим (1987, 1991), І.М.Волошиним (1998), Т.В.Козулею (1999). Визначення валового вмісту і рухомих форм ВМ у ґрунтах і рослинах проводилось методом атомно-абсорбційного аналізу (ААА). Можливість вмісту важких металів у складі комплексних неорганічних сполук у ґрунтах досліджена методом поєднання результатів ААА та рентгенофазового аналізу (РФА).

Інтерпретація та обробка отриманих результатів супроводжувалась розрахунком ряду коефіцієнтів: кларку концентрації (КК), елювіально-акумулятивного (Кеа), концентрації (КС), біологічного поглинання (Кб). При вивченні динаміки забруднення ВМ ґрунтів значна увага зосереджувалась на аналізі верхніх ґрунтових горизонтів (0-10см і 10-30см), оскільки вони активно підлягають забрудненню. Динаміка вмісту окремого елементу в об'єкті значною мірою відображає варіабельність його концентрацій, тому для відносних розрахунків та порівнянь використано статистичні показники, зокрема коефіцієнт варіації (v):

де у - середнє квадратичне відхилення;

- середнє арифметичне аналізованого елементу.

Варіаційний ряд при цьому склали концентрації ВМ, визначені в різні проміжки часу (сезони) протягом періоду досліджень. Подібну обробку даних динаміки речовини та фізико-хімічних параметрів ґрунту впроваджено при дослідженні геосистем Сибіру (Щетников, 1973, Снитко, Семенов, 1987).

Особливості природно-соціоекономічних умов території досліджень та характеристика експериментальних ПТК. У розділі подано характеристику природних умов та особливостей господарської діяльності у межах дослідженої території в аспекті їх впливу на формування природного вмісту хімічних елементів у компонентах ПТК та його динаміку.

Суттєва увага при проведенні досліджень динаміки забруднення ландшафтів приділялась ландшафтній структурі дослідженої території, ґрунтовній характеристиці експериментальних ПТК та їхній репрезентативності у плакорних умовах лісостепу Сумщини. Серед вододільних елювіальних фацій лісостепових ландшафтів Сумщини, як експериментальні об'єкти напівстаціонарних досліджень виділено наступні: експериментальна фація I - визначена як елювіальна фація вирівняної ділянки широкохвилястого межиріччя на лесовидному суглинку з чорноземами типовими малогумусними середньосуглинистими під кострицево-шавлієво-тонконоговою асоціацією злаково-різнотравних степів. Ключову ділянку закладено на території "Михайлівської цілини" (вододіл р.Олешня і р.Грунь). Експериментальна фація ІІ - являє собою антропогенну модифікацію фації І з чорноземами типовими малогумусними середньосуглинистими на лесовидному суглинку. Знаходиться в межах вирівняної ділянки широкохвилястого вододілу (р.Сумка, р.Сула і р.Вир). Розорана, застосовується для вирощування сільськогосподарських культур. Експериментальна фація ІІІ - виділена на вирівняній ділянці пологохвилястого вододілу (р.Сироватка і р.Боромля). В минулому злаково-різнотравна фація з чорноземами вилугуваними малогумусними середньосуглинистими на лесовидному суглинку, в даний час розорана, використовується для культурних посівів. Експериментальна фація ІV - знаходиться в пологосхиловій ділянці пологохвилястого межиріччя (вододіл р.Сироватка і р.Боромля). Кленово-липова діброва з темно-сірими лісовими малогумусними важкосуглинистими ґрунтами на лесовидному суглинку. У травостої переважає яглицево-копитнякова асоціація. Експериментальна фація V - виділена на підвищеній ділянці розчленованого ерозією вододілі р.Рибиця, р.Сироватка і р.Псел. В минулому злаково-різнотравна фація з чорноземами опідзоленими малогумусними важкосуглинистими на лесовидному суглинку, використовується під сільськогосподарські угіддя. Зазначені елювіальні експериментальні фації ґрунтовно відображають плакорні умови вододілів малих річок лісостепу Сумщини.

Вміст важких металів у компонентах вододільних ПТК лісостепу Сумщини та динаміка їхніх концентрацій. Найбільший вміст з аналізованих ВМ у ґрунтах досліджених ПТК мають Fe (8-14г/кг), Mn (540-1260мг/кг). Приблизно на два порядки менше у ґрунтах міститься Zn, Pb, Co, Cu, Ni, Cr (8-70мг/кг), незначна кількість Cd (0,4-0,7мг/кг). Вміст Sr коливається від 24-68мг/кг у темно-сірих лісових ґрунтах, до 44-150мг/кг у чорноземах. Частка рухомих форм Zn, Cr, Fe, що екстраговані однонормальною соляною кислотою (1н.НС1) становить 15-25%, Cu, Pb, Co, Cd, Ni, Sr - 35-60%, Mn - понад 60% валового вмісту. У гумусових горизонтах типового чорнозему "Михайлівської цілини" за період досліджень значення середнього арифметичного для валового вмісту і рухомих форм склали відповідно, мг/кг: для Fe 12900 і 1700, Mn - 567 і 375, Sr - 45 і 19,6, Zn - 54,6 і 10,4, Ni - 22,6 і 11,7, Co - 10,2 і 7,7, Cu - 9 і 4,4, Cr - 14,7 і 2,8, Pb - 12,1 і 7,9, Cd - 0,4 і 0,24.

Найбільш диференційований по профілю валовий вміст Mn у темно-сірих лісових ґрунтах, (Кеа=3,1). Окрім Mn, біогенно-акумулятивний тип розподілу у ґрунтах притаманний також Zn, Cu, Pb (Кеа=1,3-1,6). Розсіюються відносно материнської породи Cr, Ni, Fe у всіх ґрунтах, а також Co, Cd, Sr у чорноземах. Концентрації рухомих форм Zn, Pb у гумусових горизонтах ґрунтів відносно ґрунтотворних порід зростають від 1,2 разів в орних ґрунтах до 2 разів у цілинних чорноземах і 2,4 разів у темно-сірих лісових ґрунтах (рис.1).

Значення Кеа для Mn підвищуються відповідно в 1,5, 2,6 і 3,5 рази. Рухомі форми інших ВМ (Cr, Ni, Sr, Fe) мають регресивно-акумулятивний розподіл або рівномірно диференційовані у ґрунтовому профілі.

За результатами РФА в ґрунтах елювіальних лісостепових фацій протягом періоду досліджень були виявлені неорганічні сполуки: Zn2PbO4, ZnPbO2, ZnCr2O7, ZnCo2O4, PbCr2O7, PbCrO4, 2CuО·SrO, NiCo2O4, SrО·NiO2, SrNi2O4, SrCrO4, SrPbO2.

Отримані дані за рівнем концентрації ВМ свідчать про незначне забруднення ґрунтів порівняно з чорноземами "Михайлівської цілини" (рис.2). Для валового вмісту ВМ та їхніх рухомих форм діапазон коливань КС лежить в межах 0,5 - 1,5. В орних чорноземах підвищений валовий вміст Co, Cu, Cr, Cd, Ni, Fe, Sr, що свідчить про техногенне надходження ВМ внаслідок сільськогосподарського освоєння. Проте в цих ґрунтах менше акумулюється Pb, Mn. У темно-сірих лісових ґрунтах порівняно з цілинними типовими чорноземами підвищений валовий вміст всіх аналізованих ВМ, окрім Sr. Для рухомих форм ВМ у гумусових горизонтах темно-сірого лісового ґрунту притаманний вищий вміст Zn, Pb, Cu, Mn, Cd, Ni, що відображає їхню природну відмінність від чорноземів. В орних ґрунтах помітно менше рухомих форм Zn, Pb, Co, Mn, Cd, що пов'язане з відчуженням їх з врожаєм.

За узагальненими даними високі показники динаміки валового вмісту ВМ у гумусових горизонтах ґрунтів виявлено для Cr, Cd, Fe i Sr. Низькими значеннями статистичних показників вмісту протягом періоду досліджень характеризуються Zn, Pb, Mn, Ni. Рухомі форми аналізованих ВМ відзначаються вищими значеннями v порівняно з валовим вмістом.

Згідно отриманих даних, встановлено, що рослини "Михайлівської цілини" енергійно поглинають Cu (Кб>10). Інші ВМ в більшості випадків віднесено до групи сильного накопичення (Кб=1-10). До групи слабого накопичення і середнього захвату належить Cr та Fe (Кб=0,1-1), за межею визначення знаходиться Cd. Деревні види рослин (фація IV) відзначаються відносно одноманітним поглинанням ВМ (майже всі метали належать до групи сильного біологічного накопичення). До елементів слабого накопичення і середнього захвату віднесено Cr i Fe. Лісовий травостій характеризується майже однаковим поглинанням більшості ВМ, що підтверджує належність їх до групи сильно накопичуваних і середнього захвату, за винятком Cr (група слабого накопичення і середнього захвату) та Fe (елемент слабого захвату). У лісових трав Cd знаходиться за межею визначення. Серед культурних рослин (фації II, III, IV) виявлено тенденцію до різної інтенсивності поглинання ВМ між родинами злакових та бобових. За абсолютними показниками Кб бобові акумулюють ВМ інтенсивніше злакових.

У рослинах експериментальних фацій високі значення v зафіксовано для Pb, Cu, Cr, Cd. Загалом показники динаміки вмісту ВМ суттєво відрізняються як між представниками окремих фітоценозів, так і в межах одного фітоценозу.

Головні закономірності та порівняльний аналіз динаміки вмісту важких металів у лісостепових елювіальних фаціях. У ґрунтотворних лесовидних суглинках виявлено закономірності, які полягають у низькому рівні відносного вмісту хімічних елементів (КК<1) за винятком Cd; незначній різниці вмісту ВМ між ґрунтотворними породами вивчених фацій; суттєвому відсотку переходу ВМ у розчин 1н. НС1; низькій варіабельності валового вмісту ВМ та їх рухомих форм (v<30%).

Фація І (вододіл р.Олешня і р.Грунь). Вміст ВМ навесні у цілинному типовому чорноземі характеризується зниженням валового вмісту Cr, Sr, Cd, підвищенням валового вмісту Zn. В цей період спостерігається мінімальні концентрації рухомих форм Sr. Влітку спостерігається мінімальний вміст Co, Mn, а також рухомих форм Pb, Co, Cr, Ni, Fe. Восени виявлено максимальний валовий вміст Co, Fe, Mn, рухомих форм Mn, Ni, Fe.

Для характеристики вмісту ВМ та динаміки забруднення ними компонентів антропогенних модифікацій ПТК, в якості критерію порівняння окрім валового вмісту та концентрацій рухомих форм ВМ, використано статистичні показники динаміки вмісту ВМ у ґрунтах та рослинах "Михайлівської цілини" протягом періоду досліджень. Порівнюючи отримані дані за динамікою вмісту ВМ в основних компонентах природних і антропогенно модифікованих ПТК, виявлено ряд закономірностей. Вміст рухомих форм Zn Pb, Co, Cr, Fe, Ni, Cd, Mn у поверхневих ґрунтових горизонтах цілинного чорнозему відзначений вищими значеннями показників динаміки порівняно з валовими. Незначна різниця між коефіцієнтами варіації валового вмісту і рухомих форм виявлена для Cu, Sr.

За вмістом ВМ у складі комплексних неорганічних сполук, згідно результатів РФА, найменшу кількість зазначених сполук у типових цілинних чорноземах виявлено влітку. Максимальну кількість цих сполук зафіксовано восени.

Трав'янисті цілинні види активно поглинають ВМ на початку вегетаційного циклу та найменше влітку (рис. 3). Для зіноваті руської відзначено мінімальні концентрації елементів у літніх зразках, а максимальні - восени. Найбільш динамічним у трав'янистих зразках є вміст Pb (v=23,6-48,1%). Максимальний показник динаміки вмісту Cr притаманний зіноваті (v=63,5%). У губоцвітих коефіцієнт варіації знаходиться на рівні 30%, у молочайних - не перевищує 10%. Найменші показники сезонної динаміки у заповідних рослин притаманні Fe і Sr (v<10%).

Фація ІІ (вододіл р.Сумка, р.Сула і р.Вир). Весняний період у типових орних чорноземах характеризується максимальним вмістом рухомих форм Pb. Влітку суттєво знижується валовий вміст Co, Zn, Cd та концентрації рухомих форм Cr, Ni, Mn, Co, Fe. Вищим порівняно з іншими сезонами є валовий вміст Sr, Cr, Cu і вміст рухомих форм Cd. Восени знижується валовий вміст Cr, Cu і рухомі форми Cu, Cd. В цей час констатовано максимальні концентрації рухомих форм Fe, Ni, Co.

У верхніх ґрунтових горизонтах орних типових чорноземів порівняно з цілинним аналогом Михайлівської цілини", значення v вмісту ВМ для валового вмісту Zn, Cr, Ni вищі в 1,3-1,6 разів, для Pb нижчі в 2,1 рази. Показники динаміки валового вмісту інших ВМ приблизно однакові. У верхніх ґрунтових горизонтах для рухомих форм Zn значення v вищі в 2,8-5,6 разів, Cr, Ni, Sr - в 1,4-2,2 рази. Співвідношення коефіцієнтів варіації Pb, Co, Cu, Mn, Cd, Fe не перевищує 1,2.

Згідно даних РФА орні чорноземи за вмістом та динамікою комплексних неорганічних сполук відрізняються від цілинних. Найбільшу кількість сполук виявлено влітку. Відрізняються ґрунти і за складом сполук. У гумусовому горизонті типових орних чорноземів констатовано наявність сполук NiCo2O4, PbCrO4, PbCr2O7.

Сезонна динаміка вмісту ВМ в рослинах фації ІІ вивчалась на прикладі культурних видів родини злакових і бобових. Активна акумуляція ВМ рослинами відзначена у осінній і весняний періоди, мінімальне поглинання елементів - влітку. Порівняно з цілинними видами рослин, сезонний хід вмісту ВМ у культурних видів рослин подібний. Значна сезонна динаміка вмісту характерна для Pb i Ni (v близько 40% і 30%). У пшениці м'якої максимальна динаміка вмісту притаманна Cd і Sr (v=47,1% і 42,8%), мінімальна - Fe і Zn (v=10%). В люцерни посівної зафіксовано незначні показники динаміки вмісту Cu, Sr, Zn, Co, Mn, Fe (v<10%).

Фація ІІІ (вододіл р.Сироватка і р.Боромля). У верхніх генетичних горизонтах вилугуваного чорнозему навесні помічено підвищення валового вмісту Zn, Pb. Влітку зафіксовано максимальний валовий вміст Mn та рухомих форм Cd. Водночас знижуються концентрації рухомих форм Zn, Fe. Восени суттєво підвищується валовий вміст Fe, Cd, рухомих форм Zn, Mn, Ni. Зменшується валовий вміст Sr.

У поверхневих шарах орного вилугуваного чорнозему порівняно з чорноземами "Михайлівської цілини" показники динаміки валового вмісту Cd, Ni, Sr вищі в 1,7-2 рази, Zn, Pb, Mn нижчі в 1,3-1,9 разів, Cr - понад 2 рази. Коефіцієнти варіації для рухомих форм Zn, Pb, Cr, Mn Cd, Ni, Sr вищі в 1,3-2,2 рази, для Co i Cu нижчі в 1,2-1,6 разів. Динаміка рухомих форм Fe у ґрунтах приблизно однакова.

Наявність ВМ у складі комплексних неорганічних сполук у вилугуваному чорноземі за даними РФА знаходиться на рівні цілинного чорнозему. Влітку спостерігається зменшення всіх зафіксованих сполук і збільшення їх кількості восени. Однак за їхнім складом відзначені деякі відмінності, зокрема наявність сполуки NiCo2O4, яку також констатовано і у орних чорноземах фації ІІ.

Сезонна динаміка вмісту ВМ у злакових агрофітоценозу характеризується максимальними концентраціями елементів восени й мінімальними влітку. Восени активно акумулюються Mn, Fe, Zn, Co, Cr, Cd. Навесні максимальні концентрації спостерігаються для Pb, Sr, Cu, Ni. Отже, сезонна динаміка вмісту ВМ у культурних злаків фації ІІІ подібна до злакових культур фації ІІ. Значні показники динаміки вмісту ВМ відзначені для Pb (49,4%), Cu (60,7%), Cr (57%), Sr (35,9%). Найменші - для Zn, Mn, Ni, Fe (v не перевищує 10%).

Фація IV (вододіл р.Сироватка і р.Боромля). Для сезонної динаміки ВМ у темно-сірих лісових ґрунтів характерним є зниження навесні валового вмісту Mn. В літніх зразках ґрунту зростає валовий вміст Fe, Sr, Cr, рухомих форм Pb i Cd. В цей констатовано мінімальні значення валового вмісту для Mn, Ni, а також рухомих форм Mn, Fe, Cr. Восени для валового вмісту Zn, Pb, Cr, Sr, а також рухомих форм Cu притаманне зниження концентрацій. Отже, динаміка вмісту ВМ у темно-сірих лісових ґрунтах помітно відрізняється як від цілинних чорноземів, так і від орних, що викликано генетичними особливостями.

За статистичними показниками динаміка вмісту ВМ у темно-сірому лісовому ґрунті також відзначається відмінностями від цілинних і розораних чорноземів, тому різницю між відповідними показниками ми не пов'язуємо з активним впливом техногенного чинника на ці ґрунти. У гумусових горизонтах темно-сірих лісових ґрунтів і цілинних чорноземів не виявлено суттєвої розбіжності за динамікою валового вмісту Cu, Cr, Ni, Sr. Коефіцієнти варіації Zn, Pb, Co, Cd вищі ніж у цілинних чорноземах в 1,3-2,2 рази, Mn - більш ніж у 3 рази. Показники динаміки рухомих форм Co, Cu, Cr, Mn, Sr вищі в 1,2-1,8 рази, для Pb, Cd вони нижчі. Співвідношення коефіцієнтів варіації для рухомих форм Zn, Ni, Fe не перевищують 1,2 рази.

У темно-сірих лісових ґрунтах за даними РФА склад комплексних неорганічних сполук ідентичний до чорноземів, але динаміка їх відрізняється. Максимальний спектр зафіксованих сполук, відзначено у весняних зразках, мінімальний – восени.

З лісового фітоценозу для вивчення сезонної динаміки ВМ відбирались зразки травостою (копитняк європейський і яглиця звичайна) і деревних порід (дуб звичайний, липа серцелиста, клен гостролистий). За сезонною динамікою Кб лісової рослинності відрізняється від степової цілинної і культурної (рис 3). Найвищі показники динаміки вмісту ВМ встановлено для липи (Pb, Co, Cu, Ni в межах 30%, а Cr i Sr понад 50%), суттєва динамічність вмісту Cr і Cd у листях дубу (v=80% і 62,5% відповідно). Низькі показники динаміки вмісту у даній групі рослин притаманні Fe (v<20%).

Фація V (вододіл р.Рибиця, р.Сироватка і р.Псел). В опідзоленому чорноземі сезонна динаміка ВМ характеризується максимумами валового вмісту Cr, Ni, Sr, рухомих форм Сr, та мінімальними концентраціями Mn i Pb навесні. Влітку знижуються валові концентрації Zn i Cr та вміст рухомих форм Ni, Fe. Значним є валовий вміст Mn та рухомих форм Pb. В осінніх зразках суттєво зростає валовий вміст Co, Cu, Mn, Cd, Sr, Zn, а також концентрації рухомих форм Zn, Co, Mn, Ni. Низьким є вміст Cd.

В орному опідзоленому чорноземі порівняно з чорноземом "Михайлівської цілини" співвідношення показників динаміки є найвищими. У верхніх ґрунтових шарах значення v для валового вмісту Zn, Cu, Co, Ni, Sr, Mn, Cr, Pb вищі в 1,2-1,7 разів, а для Cd i Fe нижчі. У гумусовому горизонті значення коефіцієнту варіації перевищують цілинний рівень для валового вмісту Pb, Ni, Cr, Cu, Co, Mn і Fe в 1,3-2,3 рази, для Cd і Zn нижчі в 1,9 і 3,4 рази відповідно. Порівнюючи показники динаміки вмісту рухомих форм ВМ, виявлено, що у гумусових горизонтах вони вищі еталону для Zn, Co, Cr, Mn, Cd в 1,2-2,2 рази, Ni, Sr майже однакові, Pb, Cu, Fe - нижчі в 1,2-1,5 разів.

За даними РФА, опідзолений чорнозем за складом і кількістю виявлених тут комплексних неорганічних сполук та за динамікою їх вмісту відрізняється від інших ґрунтів максимальним спектром зафіксованих сполук. Встановлено, що найбільша кількість сполук спостерігається для весняного та осіннього періодів. Влітку кількість неорганічних комплексних сполук зменшується, але зафіксовано сполуку 2CuО·SrO, якої не відмічено в інших ґрунтах.

Сезонна динаміка ВМ у рослинах фації V вивчалась на аналогічних видах з фацією ІІ. Порівняно з ними культурним рослинам фації V властиві вищі показники динаміки вмісту Zn (v=28,1% у злаків і v=37,9% у бобових), Cu (v=62,8% і v=44,7% відповідно), Cr (v=35,4% і v=20%), Cd (v=130% і v=38,5%). Мінімальні показники динаміки притаманні Zn, Mn, Ni, Fe (v<10%).

ВИСНОВКИ

1. Проведення досліджень спрямованих на виявлення забруднення компонентів ПТК важкими металами статично є не завжди достатнім, оскільки поряд із проблемою привнесення у функціональні ланки ПТК токсичних, шкідливих хімічних речовин (у тому числі ВМ) не менш важливою проблемою техногенного навантаження є міграція хімічних елементів внаслідок прямого чи побічного антропогенного втручання. Тому поряд із статичним вивченням забруднення ландшафтів важкими металами, важливими є дослідження в динамічному аспекті. Порівняльний аналіз динаміки вмісту ВМ у природних ПТК (злаково-різнотравний степ "Михайлівської цілини" та кленово-липова діброва) та їхніх антропогенних модифікаціях (агроландшафти) дали змогу визначити ступінь їх розходження і виявити динаміку забруднення останніх ВМ.

2. Виявлено, що рівні вмісту ВМ у ґрунтах досліджених ПТК обумовлені хімічним складом лесовидних суглинків, які є ґрунтотворною породою у плакорних умовах і зумовлюють літологічну однорідність ґрунтового покриву.

Для більшості ВМ (окрім Cr, Ni і Sr) у ґрунтовому профілі характерним є біогенно-акумулятивний тип розподілу.

За рівнем концентрації ВМ досліджені ґрунти відзначаються незначним забрудненням порівняно з чорноземами "Михайлівської цілини". В орних чорноземах підвищений валовий вміст аналізованих ВМ, що свідчить про техногенне надходження ВМ внаслідок сільськогосподарського освоєння. Проте вони збіднені на рухомі форми ВМ, що пов'язано з антропогенним виносом їх з врожаєм. У гумусових горизонтах темно-сірих лісових ґрунтах порівняно з цілинними типовими чорноземами підвищений вміст ВМ, що відображає їхню природну відмінність від чорноземів.

3. З'ясовано закономірності динаміки вмісту ВМ у ґрунтах вододільних ландшафтів лісостепу Сумщини. Динаміці валового вмісту ВМ притаманна подібність у вивчених ґрунтах. Рухомі форми ВМ у верхніх ґрунтових горизонтах вивчених ґрунтів характеризуються мінімальними концентраціями Cu i Cd в осінніх зразках, Co, Cr, Mn, Ni, Fe у літніх зразках. Максимальні концентрації Zn, Co, Mn, Ni, Fe зафіксовано восени, Cd - улітку. Доведено, що в умовах лісостепу Сумщини сільськогосподарське навантаження призводить до підсилення динамічності вмісту ВМ у ґрунтах агроландшафтів і порушенню їхньої стабільності порівняно з природними аналогами (ПТК "Михайлівської цілини"). При цьому співвідношення показників динаміки рухомих форм ВМ між цілинними та орними ґрунтами вищі від аналогічних показників для валового вмісту.

4. Встановлено, що досліджені види й групи лісостепової рослинності мають досить високий ступінь біологічного поглинання ВМ. За рядами інтенсивності біологічного поглинання ВМ групі енергійно накопичуваних елементів (Кб>10) відповідають Cu і Sr. Серед вивчених видів рослин дуже мало поглинаються Fe i Cr, які віднесено до групи слабого накопичення і середнього захвату та до групи слабого захвату. Інші ВМ за інтенсивністю біологічного поглинання відповідають групі сильно накопичуваних елементів.

5. Визначено закономірності сезонної динаміки вмісту та інтенсивності поглинання ВМ рослинами. Серед досліджених видів рослин максимальні діапазони сезонних коливань як абсолютних концентрацій ВМ так і статистичних показників динаміки їхнього вмісту притаманні культурним видам.

Представники цілинної рослинності характеризуються максимальним поглинанням ВМ в осінній та весняний періоди і мінімальним влітку, за винятком Co i Sr (мінімальні концентрації спостерігаються навесні). Для лісових трав'янистих рослин характерним є зменшення інтенсивності біологічного поглинання влітку, в той час як для деревних порід зменшення інтенсивності поглинання ВМ притаманне як у літній так і осінній періоди. Проте помітним є підвищення вмісту Cu, Zn, Co, Pb, Mn, Cd у листових пластинах навесні. Порівняно з цілинними видами рослин динаміка вмісту ВМ протягом сезону вегетації у культурних рослин відзначається подібністю.

6. В умовах автономних лісостепових ПТК вперше відзначено можливість присутності у ґрунтах ВМ у складі комплексних неорганічних сполук: Zn2PbO4, ZnPbO2, ZnCr2O7, ZnCo2O4, SrО·NiO2, SrNi2O4, SrCrO4, SrPbO2 та проаналізовано їх динаміку. Окрім того у розораних чорноземах, що активно підлягають техногенному навантаженню констатовано 2CuО·SrO, PbCr2O7, PbCrO4, NiCo2O4. Навесні найменшу кількість зазначених сполук виявлено у цілинному типовому і розораному вилугуваному чорноземі, влітку та восени - у темно-сірому лісовому ґрунті під природною рослинністю. Максимальна кількість комплексних сполук ВМ характерна для чорноземів агроландшафтів: навесні та восени - для опідзолених, влітку - для типових. Встановлено, що значною мірою динаміка ВМ у складі комплексних неорганічних сполук обумовлена сезонною динамікою їх валового вмісту у ґрунтах.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Особливості концентрації металів у автономних вододільних ландшафтах лісостепу Сумщини //Вісник Харк. ун-ту.- 1998, №402.-С.195-197.

2. Еколого-геохімічні дослідження плакорних чорноземних ґрунтів лісостепу Сумської області //Захист довкілля від антропогенного навантаження. – Харків-Кременчук, 1999. Вип. 1(3).- С. 86-91. (Співавтор Некос В.Ю.).

3. Деякі результати ландшафтно-геохімічних досліджень ґрунтового покриву "Михайлівської цілини" //Людина і довкілля. Проблеми неоекології. 2000. Вип.1(1).- Харків: Вид-во ХНУ, 2000.- С.110-114.

4. Сезонна радіальна диференціація важких металів у ґрунтах елювіальних ландшафтів Псільсько-Ворсклянського вододілу //Географія і сучасність. Зб. наук. пр. Нац. пед. ун-ту ім. М.П. Драгоманова.- К.: Вид-во Нац. пед. ун-ту ім. М.П. Драгоманова, 1999.- Випуск 2. - С. 84-91.

5. Геохімія ґрунтів вододільних ландшафтів Сумського Придніпров'я та геолого-геоморфологічні особливості їх формування //Географія і сучасність. Зб. наук. пр. Нац. пед. ун-ту ім. М.П. Драгоманова.- К.: Вид-во Нац. пед. ун-ту ім. М.П. Драгоманова, 2000.- Випуск 3. - С.111-117. (Співавтор Корнус А.О.).

6. Еколого-геохімічний моніторинг автоморфних чорноземів північно-східного регіону України //Вісник Львів. ун-ту. Сер. геогр., 1999.- Вип.25.- С.91-92.

7. Просторово-часова диференціація мікроелементів у фонових елювіальних ґрунтах західних відрогів Середньоросійської височини //Україна та глобальні процеси: географічний вимір: Зб. наук. пр. - Київ-Луцьк: Ред.-вид. відділ "Вежа" Волин. держ. ун-ту ім. Лесі Українки, 2000. - Т.2. - С.187-189. (Співавтор Некос В.Ю.).

8. Важкі метали у чорноземах "Михайлівської цілини" //Педагогічна Сумщина. - 1999, № 2.- С.8-12.

9. Порівняльний аналіз динаміки важких металів у геосистемах (на прикладі лісостепових фацій Сумщини) //Географічні дослідження в Україні на межі тисячоліть: Матер. Всеукр. наук. конференції студентів та аспірантів. - К.: ВЦ "Київський університет, 2000. - С.104-105.

10. Геохимические особенности черноземов Сумской области //Матер. межд. научн. конф. "География на рубеже веков: проблемы регионального развития." Т.2.- Курск,1999.- С.83-84.

Буц Ю.В. Динаміка забруднення важкими металами вододільних ландшафтів малих річок лісостепу Сумщини. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.11 - конструктивна географія і раціональне використання природних ресурсів. - Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2001.

Дисертацію присвячено проблемі динаміки забруднення ландшафтів важкими металами під впливом техногенного навантаження, зокрема сільськогосподарського освоєння. У процесі досліджень виявлено ступінь забруднення ґрунтів важкими металами відносно цілинного типового чорнозему "Михайлівської цілини". Визначено інтенсивність біологічного поглинання важких металів цілинним різнотрав'ям, лісовою та культурною рослинністю.

З'ясовано основні закономірності динаміки вмісту важких металів у ґрунтах і рослинах заповідних ПТК та їхніх антропогенних модифікаціях. Встановлено, що сільськогосподарський вплив на ландшафти сприяє підвищенню показників динамічності вмісту важких металів у компонентах ПТК.

Виявлено можливість вмісту важких металів у складі комплексних неорганічних сполук, що визначені елементним аналізом та рентгенофазовим аналізом та виявлено їх сезонну динаміку у різних