ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ДнІпроПЕТРОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БОРТНІК ЛЕСЯ МИКОЛАЇВНА
УДК 504.54 :(631.41:58.051)
ЕКОЛОГІЧНА ОЦІНКА УРБОЛАНДШАФТІВ ЗА ВМІСТОМ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У СИСТЕМІ ГРУНТ-РОСЛИНА
(на прикладі міста Харкова)
03.00.16. екологія
А в т о р е ф е р а т
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата біологічних наук
Дніпропетровськ - 1999
Дисертацією є __ рукопис _________________________________
Робота виконана в Інституті грунтознавства та агрохімії
ім. О.Н.Соколовського, Українська академія аграрних наук.
Науковий керівник: доктор біологічних наук, академік УААН,
професор Медведєв Віталій Володимирович,
Інститут грунтознавства та агрохімії ім.О.Н.Соколовського
УААН, директор
Офіційні опоненти
1.
Доктор біологічних наук, професор Цвєткова Ніна Миколаївна, Дніпропетровський державний університет Міністерства освіти України, кафедра геоботаніки, грунтознавства та екології.
2.
Кандидат біологічних наук, професор Шанда Володимир Іванович, Криворізький педагогічний університет, завідувач кафедри ботаніки та екології.
Провідна установа - Донецький державний університет Міністерства освіти України, кафедра ботаніки та екології
Захист відбудеться « 1 » грудня 1999 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.04 по присудженню наукового ступеня кандидата біологічних наук в Дніпропетровському державному університеті за адресою: 320625 МСП, м. Дніпропетровськ, провулок Науковий, 13, корпус 17, біолого-екологічний факультет, ауд. 611.
З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Дніпропетровського державного університету Міністерства освіти України
Автореферат розісланий «28 » жовтня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
кандидат біологічних наук, доцент А.О. Дубіна
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
А к т у а л ь н і с т ь р о б о т и. У зв’язку з погіршенням чистоти навколишнього середовища, що відбувається в нинішній час внаслідок урбанізації, і забруднення урболандшафтів промисловими відходами ак-туальною є розробка та використання методів, які б дозволили отримати картину розповсюдженням забруднення. В першу чергу це стосується грунтово-рослинного покриву, який виступає в якості активного фактору та середовища депонування і міграції хімічних елементів, зокрема важких металів. У певних відношеннях стосунки між грунтом та рослинним покривом такі невіддільні, що правомірним стає питання про дослідження саме системи грунт-рослина. Прослідкувати за ступенем антропогенного впливу можна за допомогою рослин - індикаторів, які в ряді випадків більш надійно та наглядно характеризують забруднення екосистеми, ніж різно-манітні технічні прилади, і служать, таким чином, важливим допов-ненням до традиційних інструмен-тальних методів та засобів спостережень за станом рослинності та грунту. Якісна оцінка екологічної ситуації та аналіз перерозподілу шкідливих еле-ментів у системі грунт-рослина є надзвичайно актуальним завданням з огляду на концепцію сталого розвитку України. Багатосторонній підхід, який застосовано у даній роботі, дозволяє адекватно оцінити антропогенний вплив на урболандшафти.
М е т а і з а в д а н н я р о б о т и. На основі багатостороннього дослідження забрудненості лісопаркової зони та стану системи грунт-рослина здійснити оцінку стану забруднення території міста Харкова та визначити індикативну роль рослинності (як показника вмісту важких металів).
З цією метою було виконано ряд наступних завдань:
1. Аналіз і порівняння вмісту хімічних елементів в грунті та в рослинах.
2. Складення картосхем вмісту важких металів у грунті для території міста.
3. Визначення чутливості та толерантності до хімічних елементів певних видів рослин.
4. Системний аналіз перерозподілу забруднення у системі грунт-рослина.
5. Відпрацювання комплексу досліджень для моніторингу урболандшафтів, які б базувалися на основі вивчення стану рослинності .
Н а у к о в а ц і н н і с т ь і н о в и з н а р о б о т и
- застосовано багатосторонній підхід до вивчення вмісту важких металів (ВМ) у системі грунт-рослина для екологічної оцінки урболандшафтів
- складено картосхеми розподілу вмісту ВМ на території міста
- встановлено залежність міграції ВМ у системі грунт-рослина на території рекреаційних зон урболандшафтів (на прикладі м.Харкова)
- виявлено чутливі та толерантні види трав’янистих рослин до поглинання ВМ
П р а к т и ч н а з н а ч и м і с т ь р о б о т и. Проведення екологічної оцінки системи грунт-рослина за вмістом важких металів у верхньому шарі грунту та рослинності доцільно використовувати для моніторингу міських земель, зокрема для виділення приорітетних об’єктів спостереження. Це може бути корисним при плануванні розміщення сільськогосподарських угідь навколо промислових об’єктів, а також для визначення ділянок з підвищеним вмістом забруднювачів на приміських землях (ділянок підви-ще-ного ризику), де мають бути обмеження використання грунтів для вирощування сільськогосподарської продукції. Виявлення чутливих та ток-сикотолерантних до важких металів рослин допоможе контролювати потрапляння продуктів з надмірним їх вмістом до харчового ланцюга тварин та людини.
На захист виносяться наступні положення:
1.
Доказ доцільності розгляду у якості показника стану поліелементного забруднення навколишнього середовища міста Харкова системи «грунт-рослина» і показ за власними експериментальними даними просторових відмін в умовах великого міста.
2.
Визначення кількісних співвідношень у наявності важких металів у рос-линах порівняно з забрудненістю ними грунтів (на прикладах об’єктів лісопаркової зони, розташованих у різних природно-техногенних умовах).
3.
Визначення фітоіндикаційної здатності рослин, що ростуть у лісопарковій зоні, щодо важких металів через їх накопичення у біомасі, для екологічної оцінки урболандшафтів та екомоніторингу.
4.
Моделювання переносу важких металів у системі «грунт-рослина»
А п р о б а ц і я р о б о т и. Результати досліджень апробовані на засіданнях Вченої Ради ІГА УААН на протязі трьох років, на конференції, присвяченій актуальним питанням ботаніки та екології (Харків, 1996), 2-й конференції «Застосування персональних комп’ютерів в наукових дослід-женнях та навчальному процесі» (Харків, 1996), семінарі з математичної екології, м. Трієст, Італія, 1996 р., конференції «Теоретичні та прикладні ас-пекти проблем агрохімії та грунтознавства» (Харків, 1997), коледжі з фізики грунтів, Італія, 1998 р., на 5 з’їзді грунтознавців і агрохіміків (м. Ровно, 1998 р), на конференції «Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих вчених міста Харкова» (1998р.).
П у б л і к а ц і ї. За результатами досліджень опубліковано 12 наукових робіт, 3 з яких у співавторстві, 7 з них статті.
Обробка результатів проводилася з використанням сучасного математичного апарату у пакетах програм «Статистика 5.0», «Exceel», «Математика».
Особистий внесок. Всі експериментальні матеріали, обгрунтування результатів, картосхеми, теоретичні розробки та математична модель міграції ВМ отримані особисто автором.
Структура і об’єм роботи. Работа налічує шість розділів, висновки, додатки, бібліографію із 202 джерел, 37 з яких іноземні. Основний зміст викладений на 150 сторінках машинописного тексту, містить 40 таблиць, 17 рисунків та додатків на 10 сторінках.
Час та місце виконання роботи. Робота виконувалася з 1994 по 1997 рік під час перебування в очній аспірантурі Інституту грунтознавства та агрохімії ім. О.Н. Соколовського УААН і на базі дослідної лабораторії мо-ніторингу навколишнього середовища Харківського державного університе-ту. Робота проводилася у рамках завдання НТП «Родючість грунтів» за реєст-раційним номером 0196U012527 у секторі агроекологічного моніторингу.
АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД
Обґрунтовується застосування методу біоіндикації для екологічної оцінки забруднення урболандшафтів важкими металами, що обумовлене інтенсивним розвитком та розширенням індустріальних центрів і, внаслідок цього, погіршенням стану навколишнього середовища. Проаналізовано ряд робіт, в яких висвітлюється роль важких металів у грунті і їх основні фізіологічні функції у рослинному організмі, ознаки токсичної дії та недо-стачі в рослинах в умовах антропогенного впливу. Рослини виступають проміжним резервуаром, через який важкі метали переходять з грунту, води і повітря в організм тварин та людини. Рослини можуть пасивно захоплювати листям хімічні елементи з атмосферного пилу або корінням з грунту та регулювати їх надходження чи видалення шляхом різноманітних фізіологічних реакцій.
Головний шлях поглинання рослинами важких металів - адсорбція корінням, яка може бути пасивною (дифузія) та активною, пов’язаною з метаболічними процесами. Поглинання залежить від різноманітних фак-торів (концентрації в грунтовому розчині, рН, температури, стадії розвитку рослин, властивостей грунту). Обов’язковою умовою поглинання кореневою системою будь-якого металу є його перебування у розчинному стані.
Інший шлях поступання важких металів - це поглинання листям, яке має дві фази : неметаболічну (проходження через кутикулу), та метаболічну (поступання проти градієнту концентрації в протоплазму).
В умовах постійного забруднення деякі види трав’янистих рослин здатні формувати металостійкі популяції, які утворюють різноманітні систе-ми знешкодження металів всередині самих рослин. (Косицын А.В., Алексеева-Попова, 1983, Кабата-Пендиас, 1989 та ін.). У більшості випадків вміст важких металів, що накопичується в коріннях, корелює з вмістом у грунті (Глазовская и др., 1961, Wu et. al., 1975, Ильин, 1991), а при великих концентраціях у корінні збільшується їх вміст у листі. Як правило, вміст важких металів у репродуктивних органах буває значно меншим (Ильин, Степанова, 1980, Черных, 1991 та ін.). В той же час коренева система є по-тужним бар’єром, який затримує надходження токсичних концентрацій важких металів у надземну частину. Відмічається найбільша захисна роль кореневої системи по відношенню до таких важких металів, як свинець, нікель, хром.
ОБ’ЄКТ І МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕНЬ
Об’єктом досліджень обрано місто Харків, великий індустріальний центр, для якого питання екологічної оцінки є актуальними. Місто Харків знаходиться у Лівобережному Лісостепу України на південній межі з Степом. Його територія, яка займає понад 400 км2, є поєднанням ділянок широко листяного лісу, змішаного лісу та степу, які диференціюються за типами рельєфу і умовами зволоження.
Оскільки актуально мати картину дії забруднюючих речовин на окремі елементи системи урболандшафту та їх перерозподілу в системі грунт-рослина, предметом наших досліджень визначено поверхневий шар грунту та рослинність рекреаційних масивів на території міста.
Вимірювався вміст хімічних елементів: Ni, Cr, Mn, Co, Zn, Cu, Pb у зразках грунту та рослинності експресним методом, який розроблений на базі ренген-флюоресцентного спектрофотометру СРМ-25. Це багатоканаль-ний спектрометр, який має великі можливості для визначення хімічного складу грунтів та рослин. Всі без винятку прийоми рентгеноспектрального аналізу грунтуються на порівнянні інтенсивностей аналітичної лінії рентге-нівського спектру від стандартних зразків, де вміст елементу відомий, порів-няно із зразком, який визначається. В даній методиці використовувались стандарти, які виготовлені в СНГ (СП-1, СП-2, СП-3). Визначення рухомої форми ВМ у грунті проводилось для амонійно-ацетатного розчину з рН 4,8 за Крупським-Олександровою, до якого відносяться водорозчинні та іоно-обмінні форми ВМ, на атомно-абсорбційному спектрофотометрі С-115М.
ВМІСТ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У ГРУНТАХ МІСТА
Міські грунти утворені під впливом тих же факторів, що і природні, але при значному домінуванні антропогенного фактору. У цій главі дається характеристика особливостей міських грунтів, їх функцій в порівнянні з нативними. Описується вплив промислових забруднень на процеси, які відбуваються у грунті. Подано детальну характеристику вмісту важких металів у поверхневому шарі грунту лісопарків міста Харкова.
За допомогою статистичного аналізу визначено екологічні оцінки забруднення грунту зон рекреації та педогеохімічні показники перевищення фонових значень вмісту елементів-забруднювачів. Дана оцінка за ін-тегральними показниками забруднення окремих лісопаркових зон, які пере-бувають під гнітом поліелементного забруднення, що показано в таблиці 1. Значний рівень поліелементного забруднення багатьма інгредієнтами вияв-лено для парків ім. Артема, 40- річчя ВЛКСМ, Молоді, Олексіївського луго-парку. Помірне забруднення присутнє на території парків Основа, Юність, Маяковського, ім. Шевченка, Жукова, Горького, Григорівського бору.
Таблиця 1. - Інтегральні показники забруднення лісопаркової зони м. Харкова
№ | Територія відбору зразків | Показник | Складові забруднення
1 | п. ім. Артема | 5 | Ni, Cr, Cu, Pb
2 | Гідропарк | 1.2 | Pb
3 | Основ’янський лугопарк | 1.4 | Pb
4 | п. Основа | 2.2 | Cr, Pb
5 | п. Юність | 2.6 | Cr, Pb
6 | п. ім.Маяковського | 2.4 | Cr, Pb
7 | п. 40-річчя ВЛКСМ | 3.6 | Cr, Cu, Pb
8 | Лісопарк | 1.3 | Pb
9 | Олексіївський лугопарк | 3.9 | Cr, Zn, Pb
10 | Григорівський бір | 2.5 | Zn, Pb
11 | п. ім. Шевченка | 2.6 | Cr, Pb
12 | п. ім. Жукова | 2.2 | Cr, Pb
13 | п. ім. Горького | 2.4 | Cr, Pb
14 | п. Молоді | 3.4 | Cr, Pb
Аналіз просторового розподілу забруднювачів на території міста дозволив визначити основні тенденції їх накопичення. Спостерігається різний розподіл величини вмісту важких металів у грунтах. Наведені в таблиці показники забруднення грунту проілюстровані на рисунках 1-3, де показані типові структури просторового розподілу хімічних елементів на території міста Харкова. Для таких металів, як нікель, марганець, цинк характерний монотонний радіальний розподіл величини їх вмісту відносно центру (рис. 1). Структура просторового розподілу хрому та міді має сідловидний характер. Виділяються 2 напрямки з протилежними тенденціями зростання (рис. 2).Такі типові забруднювачі урболандшафтів як свинець та кобальт мають поліцентричне поширення з декількома ореолами з особливо високим вмістом (рис. 3).
СТАН РОСЛИННОСТІ м. ХАРКОВА ПІД ВПЛИВОМ АНТРОПОГЕННОГО НАВАНТАЖЕННЯ
Завдяки методам фітоіндикації, про загальний стан рослин можна судити спостерігаючи за морфологічними змінами рослинних угрупувань, зокрема визначаючи ступінь пошкодження листової поверхні (Шуберт, 1988). Дія забруднюючих речовин стосується, в першу чергу, розвитку листових некрозів та хлорозів.
Паралельно з хімічним аналізом проведено оцінку враження листових пластинок дерев та трав’янистих видів рослин хлорозом. У однодольних, та-ких як тонконіг вузьколистий, тонконіг лучний, спостерігається хлороз кін-чиків листя. У дводольних - конюшини повзучої, кульбаби лікарської, граві-лату міського - плямистий хлороз з переходом у некроз. Листя дерев, особли-во з гладкою поверхнею, у промислових районах до 45 % вражене хлорозом. За спостереженнями, рослинність на території таких зелених зон з несприят-ливими умовами, як парк ім. Артема, ім.Шевченка, Молоді, 40-річчя ВЛКСМ відрізняється від природних угрупувань на екофізіологічному рівні: запізні-лим розвитком, укороченням пагонів, пригніченістю росту, морфоло-гічними змінами, на біоценотичному рівні: розрідженим трав’янистим покри-вом і, як наслідок, зниженням біопродуктивності; насиченістю рослинних угрупувань рудеральними видами, серед яких часто зустрічаються кропива дводомна, циклахена звичайна, пирій повзучий, розрив-трава дрібноквіткова та ін.
Вплив забруднення грунту та повітря на стан рослинності не завжди є прямим. Хімічні елементи можуть вражати імунну систему організмів, що змі-нює їх стійкість до грибкових, вірусних захворювань та інших природних стресів. За нашими дослідженнями відзначалося враження грибковими захво-рюваннями, які в деяких випадках вражали до 30-50 % поверхні листової пластинки. Такі породи дерев, як: клен гостролистий були вражені чорною плямистістю - Rhitisma acerinum (Pers) та мучнистою росою Uncinula aceris Sacc., клен татарський - Rhitisma punctatum Fr, дуб - мучнистою росою Microsphaerella alphitoides Griffiet Maubl. На тополі спосте-рігалися бурі та чорні плями - Mycosphaerella maculiformis (Pers) і Apiosporum salicinum (Pers.) Kze., на черемсі - Gnomonia tiliae. Kleb., на крушині - Cylindrosporium rhamni Ell. et Ev., на липі - Gnomonia tiliae (Oud). Такі захворювання призводять до зменшення фотосинтетичної поверхні, ослаблення рослин, і, внаслідок, до суттєвого пониження приросту пагонів та деревини у цілому.
ВМІСТ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У РОСЛИНАХ
Для проведення хімічного аналізу вмісту ВМ у рослинах застосовано листовий метод, за яким береться до уваги показник ВМ у листі рослин та дерев (Ohki, 1984, Ильин, 1985, Волошин, 1998). На вміст ВМ було проана-лізовано листя 23 видів рослин, відібраних на території 20 рекреаційних зон.
У главі даємо детальну характеристику п’яти найбільших парків міста, де враховується видовий склад, вміст ВМ в різних видах рослин, діапазони варіювання та види рослин з максимальним накопиченням елементів. Про-аналізовано видовий склад рослин на здатність до поглинання ВМ. Більшу кількість елементів на території лісопаркової зони накопичують злаки та лис-тя видів дерев, в яких розсічена будова листової пластинки, або ж є опушен-ня чи восковий наліт (що пояснюємо сильнішою фіксацією ВМ на поверхні).
Детальний аналіз величин хімічних елементів дав можливість встано-вити наступні закономірності в інтенсивності акумуляції їх у листовій поверх-ні дослідних дерев. Для більшості видів, а саме клена американського, гост-ролистого, дуба звичайного, тополі чорної, ясеня звичайного, каштана кінсь-кого, сосни звичайної та ялини колючої в інтенсивності накопичення хімічних елементів вияв-лені такі закономірності: Mn > Fe > Zn > Pb > Cu > Ni > Cr > Co. Для видів в’язу голого та гладкого і робінії псевдоакації: Fe > Mn > Zn > Pb > Cu > Ni > Cr > Co. Для верби плакучої: Mn > Zn > Fe> Pb > Cu > Ni > Cr> Co. Для липи серцелистої цей ряд становив виняток: Mn >Fe > Zn > Pb > Cu > Ni > Co > Cr.
Інтенсивність акумуляції хімічних елементів у різних видів трав’я-нистих рослин дещо відрізняться від розподілу їх у деревних порід. Всі види досліджених рослин віддають перевагу поглинанню заліза. Далі кількість вмісту важких металів розташована за слідуючою схемою. Гравілат міський, подорожник великий та полинь звичайна акумулюють хімічні елементи у слідуючому порядку: Fe > Zn > Mn > Pb > Cu > Ni > Cr > Co. Для всіх інших видів цей розподіл має вигляд: Fe > Mn > Zn > Pb > Cu > Ni > Cr > Co.
Для кожного виду рослин розраховували коефіцієнт біологічного поглинання (КБП), або рослинно-грунтовий коефіцієнт (РГК), який дорів-нює відношенню вмісту ВМ у рослинах до їх вмісту у грунті. Цей коефіцієнт є показником того, наскільки хімічний елемент за даних умов може бути пог-линутим різними видами рослин. Типові порівняльні результати аналізу (КПБ), коефіцієнта переходу ВМ у системі грунт-рослина ми наводимо у таб-лиці 3 для різних видів рослин відібраних на території з різними умовами. Не дивлячись на те, що, валовий вміст елементів у грунті в декілька разів пере-вищує фонові значення та подекуди і ГДК, в рослинах їх вміст варіює в неширокому діапазоні. По РГК можна судити про низьку біологічну доступ-ність хімічних елементів для рослин у грунті на досліджуваній території, а та-кож про специфіку окремих видів рослин до поглинання хімічних елементів.
Відомо, що деяким видам рослин властиве накопичення досить вели-ких кількостей елементів, а інші нездатні до накопичення. Проведений аналіз трав’янистих рослин з приводу екологічної специфіки накопичення дослід-жуваних елементів в системі грунт-рослина.
Таблиця 2. - Вміст хімічних елементів (мг/кг) та РГК у різних видів трав’янистих рослин на території лісопарків м Харкова |
Елементи
№ | Парки | Ni | Cr | Mn | Zn | Cu | Pb
росли-
на | грунт | РГК | росли-
на | грунт | РГК | росли-
на | грунт | РГК | росли-
на | грунт | РГК | росли-
на | грунт | РГК | росли-
на | грунт | РГК
1 | ім.Горького |
0.65 | 19.3 | 0.03 | 0.66 | 94.8 | 0.006 | 15.96 | 500 | 0.03 | 12.00 | 164.2 | 0.07 | 1.65 | 52.2 | 0.03 | 6.05 | 142.0 | 0.04
2 | Молоді |
0.89 | 37.8 | 0.02 | 0.65 | 106.4 | 0.006 | 15.96 | 618 | 0.03 | 19.75 | 234.0 | 0.08 | 2.07 | 55.9 | 0.04 | 8.19 | 228.0 | 0.04
3 | Перемоги |
1.24 | 43.8 | 0.02 | 0.81 | 99.8 | 0.008 | 20.16 | 693 | 0.03 | 18.00 | 93.20 | 0.19 | 2.55 | 36.0 | 0.07 | 10.45 | 70.9 | 0.14
4 | Юність |
0.86 | 32.2 | 0.03 | 0.79 | 95.6 | 0.008 | 26.88 | 588 | 0.05 | 13.25 | 92.40 | 0.14 | 1.88 | 32.9 | 0.06 | 7.36 | 154.9 | 0.05
5 | ім.Шевченка |
0.96 | 19.3 | 0.04 | 0.72 | 94.8 | 0.008 | 18.48 | 500 | 0.05 | 20.25 | 164.2 | 0.14 | 2.38 | 52.2 | 0.04 | 9.49 | 113.0 | 0.08
6 | ім. Артема |
0.94 | 59.1 | 0.02 | 0.79 | 171.5 | 0.005 | 14.0 | 697 | 0.03 | 14.0 | 170.6 | 0.08 | 2.1 | 105.3 | 0.02 | 8.78 | 109.0 | 0.8
ГДК
за В.Б. Ільїним | 20-30 | 1-2 | >400 | 150-200 | 15-20 | 10
Фон | 21 | 51 | 650 | 33 | 11 | 13.2
1. Кульбаба лікарська (Taraxacum officinale Webb ex Wigg); 2. Гравілат міський (Geum urbanum L.); 3. Тонконіг вузько-листий (Poa angustifolia L.); 4. Грястиця звичайна (Dactylis glomerata L.); 5.Костриця червона (Festuca rubra L.);
6. Пирій повзучий (Elitrigia repens (L). Nevski).
В таблиці 3 показаний діапазон варіювання ВМ у трав’янистих видів рослин.на території міста.Найбільш інформативними видами за вмістом ВМ у рослинах вважаємо ті, де вміст варіює найбільше. До них відносимо кульбабу лікарську майже до всіх досліджуваних металів, крім Сo та Cu, подорожник великий до Сr та Zn. Їх мож-на вважати чутливими до зміни вмісту ВМ у грунті та віднести до індика-торів стану забрудненості навколишнього середовища.Види, які мають най-меншу різницю варіювання відносимо до токсико-толерантних, стійких до накопичення забруднювачів у рослинній масі. За нашими даними, такими до деяких металів є злаки, а саме - костриця червона та тонконіг вузьколистий стійкі до поглинання Ni, Cr, Co, Cu, Pb, і люцерна романська (сімейство бобових) - до всіх досліджуваних металів крім Mn).Ці види рослин можна рекомендувати для вирощування зелених кормів на приміських територіях та ділянках в зоні техногенної діяльності.
Таблиця 3.- Діапазони варіювання ВМ у різних видів трав’янистих рослин на території лісопаркових зон м. Харкова
Вид рослини | n | Різниця вмісту ВМ max/min, раз
Ni | Cr | Mn | Co | Zn | Cu | Pb
Гравілат міський
(Geum urbanum L.) | 9 | 1.20 | 1.14 | 2.43 | 1.04 | 1.97 | 1.22 | 1.2
Костриця червона
(Festuca rubra L.) | 6 | 1.44 | 1.13 | 1.90 | 1.42 | 1.57 | 1.36 | 1.17
Кульбаба лікарська
(Taraxacum officinale Webb ex Wigg.) | 14 | 2.06 | 3.68 | 2.57 | 1.32 | 1.54 | 1.3 | 1.5
Люцерна романська
(Medicago romanica L.) | 8 | 1.16 | 1.48 | 1.70 | 1.19 | 1.45 | 1.10 | 1.12
Тонконіг вузьколистий
(Poa angustifolia L) | 12 | 1.31 | 1.21 | 1.59 | 1.18 | 2.04 | 1.25 | 1.27
Подорожник великий
(Plantago major L.) | 10 | 1.56 | 4.79 | 1.87 | 1.24 | 2.47 | 1.14 | 1.25
Полин гіркий
(Аrtemisia absinthium L.) | 8 | 1.12 | 1.32 | 1.86 | 1.14 | 1.83 | 1.23 | 1.13
Полин звичайний
(Аrtemisia vulgaris L.) | 8 | 1.32 | 3.08 | 1.76 | 1.33 | 2.28 | 1.32 | 1.38
Гірчак звичайний
(Polygonum aviculare L.) | 9 | 1.27 | 1.46 | 1.67 | 1.2 | 1.43 | 1.16 | 1.28
МатематиЧна модель мІграцІЇ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У СИСТЕМІ ГРУНТ-РОСЛИНА
На основі фізико-хімічних та візуальних спостережень виділені такі етапи вегетаційного розвитку щодо здатності поглинання ВМ рослинами:
·
наростання вмісту важкого металу в організмі що випереджає збільшення фітомаси;
· стабілізація процесу у фенофазі закінчення активного вегетаційного розвитку через сповільнення зростання фітомаси при тому ж таки темпі поглинання мікроелементу;
· надмірність відносного вмісту важкого металу через зупинку вегетації (звичайно під час дозрівання) й перетворення мікроелементу на токсин; спрацювання захисних фізіологічних механізмів захисту від токсину;
· стабілізація або пригнічення рослини (стан, коли вона набуває індикацій-ного значення).
Метод системного аналізу застосований для кількісного вивчення наведеної якісної схеми динаміки перерозподілу важких металів (ВМ) у системі грунт-рослина протягом вегетаційного періоду. Побудована детальна камерна модель такої системи, яка враховує всі можливі механізми міграції забруднювачів між її підсистемами, та процеси обміну ВМ з зовнішнім середовищем. Введена і обгрунтована теоретично система показників - коефіцієнтів переходу, які описують інтенсивність обміну ВМ між ланками системи грунт-рослина
Рис. 4. Камерна модель системи грунт - рослина
Виходячи з результатів експериментальних (у главі 5) і теоретичних дос-ліджень встановлено, що наприкінці вегетаційного періоду система опиняєть-ся у стаціонарному стані, коли забруднення в рослинах перестають накопичу-ватись, внаслідок припинення фізіологічно активних процесів поглинання хімічних елементів. Проведений теоретичний аналіз експериментальних даних по визначенню вмісту ВМ у грунті та рослинах у цей період. В результаті визначені числові значення коефіцієнту , що описує інтенсивність погли-нання ВМ рослинами з грунту та одержані оцінки для інших коефіцієнтів переходу. Показано, що значення , на відміну від решти коефіцієнтів пере-ходу, суттєво залежить від типу рослин і від хімічної природи забруднювача.
Побудований оператор (матриця) еволюції перерозподілу забруднень у системі грунт-рослина, що представлений у вигляді суми двох доданків. Пер-ший з них описує подальший перерозподіл забруднювачів, що знаходились у системі в початковий момент часу, а другий - еволюцію частини забруднень, що надійшла до системи аеральним шляхом. Запропонований метод, що доз-воляє врахувати суттєво нестаціонарний характер надходження в систему забруднень з повітря.
Отримані результати дають змогу визначити величини забруднення грунту та рослин, нормовані на початкове забруднення грунту, в будь-який мо-мент вегетаційного періоду. Вони придатні для довільних співвідношень між інтенсивностями процесів обміну забруднювачами між ланками системи грунт-рослина і з зовнішнім середовищем, і дозволяють будувати різноманітні наближення, що враховують ті чи інші властивості конкретних систем. Дове-дено, що характер еволюції забруднення одиниці рослинної маси суттєво зале-жить від співвідношення між інтенсивностями поглинання забруднень росли-нами і зростанням їх біомаси. Типові графіки, що ілюструють таку залежність, при-ведені на рис. 5 (а і б). На зображених графіках прийняті такі позначення:
m(t) - біомаса рослин, y(t) - абсолютне значення вмісту ВМ у рослинах, нормо-ване на фонове забруднення грунту; - вміст ВМ у одиниці рослинної маси. Наявність екстремумів, характерна для обох малюнків, пояснюється протидією двох конкуруючих процесів: поглинання забруднювачів і їх перерозподілу по зростаючій рослинній масі. Протягом I (рис. 5а) та I, III (рис. 5б) періодів переважає процес швидкого накопичення ВМ у рослинах. Етап II (рис. 5а, 5б) відповідаює більш інтенсивному зростанню біомаси. Протягом III (рис. 5а) та IV (рис. 5б) періодів обидва процеси стабілізуються. Різниця між двома залежностями пояснюється різним характером співвідношення інтенсивностей двох зазначених процесів у хронологічному розвитку.
Отримані результати дають змогу визначити період, протягом якого вміст ВМ у одиниці біомаси рослин має найбільше значення і аналізувати результати експериментів по одночасному вивченню величини забруднень грунту та рослин. Необхідно враховувати залежність забрудненості (кількості важкого металу у одиниці біомаси) від часу, що є дуже актуальним для визначення термінів сінокосіння, збору врожаю тощо. В зонах інтенсивної техногенної діяльності потрібно враховувати період, коли врожай придатний для використання, а забрудненість рослинної сировини найменша.
Рис.5а. Залежність величини забруднення від часу, нормованої на одиницю маси рослини коли інтенсивність поглинання рослинами забруднень з грунту є більшою або такого ж порядку, як інтенсивність накопичення рослинної маси.
Рис.5б. Залежність величини забруднення від часу, нормованої на одиницю маси рослини коли інтенсивність поглинання рослинами забруднень з грунту є меншою ніж інтенсивність накопичення рослинної маси.
ВИСНОВКИ
1.
Основним методологічним результатом дисертаційного дослідження є доказ можливості оцінки забрудненості міського середовища важкими металами шляхом визначення стану систему «грунт-рослина».
2.
На основі власних експериментальних даних встановлено ступінь забруд-неності середовища важкими металами. На більшості лісопаркової тери-торії міста присутнє інтенсивне педогеохімічне забруднення (в порівнянні з фоновим вмістом) шкідливими інгредієнтами, такими як Pb, Zn, Cu, Cr, Ni.
3.
Складено серію комп’ютерних картосхем, що характеризують типи розподілу різних металів у межах міста. Встановлено наявність трьох типів: для таких металів, як Ni, Mn, Zn характерний монотонний радіальний розподіл величини їх вмісту відносно центру; структура просторового розподілу Cr та Cu має сідловидний характер, де виділяються 2 напрямки з протилежними тенденціями зростання; для свинцю та кобальту характерне поліцентричне поширення з декількома ореолами з особливо високим вмістом.
4.
Інтегральні показники поліелементного забруднення свідчать про значний рівень забруднення багатьма інгредієнтами парку ім. Артема, 40- річчя ВЛКСМ, Молоді та Олексіївського лугопарку. Помірне забруднення виявлене для території парків Основа, Юність, Маяковського, ім. Шевчен-ка, Жукова, Горького, Григорівського бору. Для решти рекреаційних зон міста можна констатувати незначне забруднення.
5.
Встановлено наявність морфологічних, екологічних змін та зовнішнього вигляду індикативних рослин, що виділені внаслідок спостережень протягом 3 вегетаційних сезонів. За виявленням ступеня пошкодження листових пластинок дерев визначилися стійкі види до забруднення атмосфери у місті – тополя біла, дуб звичайний, клен гостролистий.
Визначилися пошкодження, що мають непряме відношення до ушкодження забруднювачами повітря, проте є наслідком зменшення імунітету рослин до забруднювачів - грибкові захворювання, серед яких частіше всього зустрічаються мучниста роса та чорна плямистість різних видів дерев.
6.
Проведені хімічні аналізи зразків грунту та рослин, відібраних узгоджено, показали наявність різних типів зв’язків поміж вмістом у них важких мета-лів. Рослинно-грунтовий коефіцієнт вмісту важких металів у грунті та рос-линній сировині дозволяє судити про низьку доступність цих елементів на досліджуваній території. Невисока залежність металів у рослинах від їх вміс-ту у грунті говорить також про захисні механізми регулювання посту-пання забруднювачів у рослинний організм та високу буферність грунтів Харкова.
7.
Аналіз трав’янистих рослин з приводу екологічної специфіки поглинання хімічних елементів дозволив виявити два типи рослин за відношенням до накопичення основних забруднювачів: чутливі (кульбабу лікарську - майже до всіх досліджуваних металів, подорожник великий - до Сr та Zn); токсико-толерантні (костриця червона, тонконіг вузьколистий - до Ni, Cr, Co, Cu, Pb, люцерна романська - до всіх досліджуваних металів крім Mn).
Рослини, які характеризуються чутливістю до важких металів можна віднести до індикаторів стану забрудненості. Стійкі види рослин до поглинання ВМ можна рекомендувати для вирощування зелених кормів на приміських територіях та ділянках в зоні техногенної діяльності.
8. На основі хімічного аналізу та візуальних спостережень запропонована якісна схема динаміки перерозподілу ВМ між ланками системи грунт-рослина на різних етапах вегетаційного розвитку. Побудована відповідна теоретична модель міграції ВМ між грунтом та рослинністю протягом веге-таційного періоду. Знайдений зв’язок між вмістом ВМ у грунті та рослинах та доведено, що наприкінці вегетаційного періоду система грунт-росли-на опиняється в стаціонарному стані, коли забруднення у рослинах перестає накопичуватись. Теоретичний аналіз експериментальних даних дав змогу визначити і знайти чисельні значення коефіцієнтів, що описують процеси обміну ВМ між грунтом і рослинами.
9. Показано, що характер накопичення ВМ у одиниці рослинної маси суттєво залежить від співвідношення між інтенсивністю поступання ВМ до рослин і швидкості зростання їх біомаси. Доведено, що залежність вмісту ВМ у одиниці рослинної маси від часу має максимум. Отримані результати дали змогу визначити період, в який забруднення на одиницю рослинної маси є найбільшим. Доведено, що необхідно враховувати залежність забрудненості (кількості важкого металу у одиниці біомаси) від часу. Це актуально для визначення термінів сінокосіння, збору врожаю, за умови вибору такого періоду, коли врожай придатний для використання, а забрудненість найменша, особливо в зонах інтенсивної техногенної діяльності.
РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩОДО ВПРОВАДЖЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ
1. Застосований у роботі комплексний підхід щодо проведення екологічної оцінки урболандшафтів доцільно використовувати для моніторингу місь-ких земель, зокрема для виділення приоритетних об’єктів спостереження.
2.
Дослідження системи грунт-рослина за вмістом важких металів у верхньому шарі грунту та рослинності може бути корисним при пла-нуванні розміщення сільськогосподарських угідь навколо промислових об’єктів, а також для визначення ділянок з підвищеним вмістом забруд-нювачів на приміських землях (ділянок підвищеного ризику), де мають бути обмеження використання грунтів для вирощування сільсько-господарської продукції.
3.
Результати математичного моделювання процесів міграції важких металів у системі грунт-рослина протягом вегетаційного періоду допоможуть визначити оптимальні терміни для збирання врожаю, з метою контролю надходження продуктів з надмірним їх вмістом до харчового ланцюга тварин та людини.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ:
1.
Бортнік Л.М. Вплив антропогенного навантаження на вміст ВМ у системі грунт-рослина//Вісник аграрної науки.- Київ, 1999. -№10 – С. 78.
2.
Бортнік Л.М. Оцінка поліелементного забруднення грунтового покриву лісопарків м. Харкова//Вісн. Львів. ун-ту. – Львів, 1999.- Вип. 25.– С. 89-90.
3.
Черваньов. І.Г., Бортнік Л. М., Ричак Н. Л. Вплив забруднення на якість та стан грунтів великого міста та засади його моніторингу (на прикладі Харкова)// Наук. Вісн. Ін-т менеджм. та екон.-Ів-но-Фр-к., 1999. - С. 195-202.
4.
Бортник Л.М. Забруднення грунту важкими металами та стан рослинності на території міста Харкова//Агрохімія та грунтознавство. Спеціальний випуск до V з‘їзду грунтознавців. -Харків, 1998.– ч. IV.- С. 207-214.
5.
Бортник Л.Н., Черванев А.И. Модель распределения загрязнений в системе почва-растение в приложении к методу биоиндикации// Вісн. Харк. ун-ту.-Харків, 1998. - №402. - С. 182-186.
6.
Бортник Л.Н. Содержание тяжелых металлов в почве и в растениях лесопарковой зоны г.Харькова// Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих вчених м.Харкова: Зб. наук. пр.- Харків, 1998. - С. 152-155.
7.
Черваньов І.Г., Бортнік Л.М,. Ричак Н.Л. Вплив забруднення на якість та стан грунтів великого міста (на прикладі Харкова)//Укр. геогр. журн.- 1996.- №1. - С.24-31.
8.
Бортнік Л.М. Застосування методу біоіндикації для моніторингу еколо-гічного стану міського середовища//Матеріали конф. »Екологічні проблеми регіону: суть і шляхи вирішення». - Полтава. -1997.- С. 164.
9.
Бортник Л.Н. Загрязнение почвы г. Харькова химическими элементами// Матеріали IV Міжнародної конференції »Франція та Україна, науково-практичний досвід у контексті діалогу національних культур». - Дніпропетровськ. - 1997. - С. 10.
10.
Бортник Л.Н. Корреляция элементного загрязнения различных видов рас-тений и почвы на территории города Харькова// Матеріали конф. »Грунти України: екологія, еволюція, систематика, окультурення, оцінка, моніто-ринг, географія, використання». – Харків.- 1996. - С. 183.
11.
Бортник Л.Н. Применение метода биоиндикации на примере содержания тяжелых элементов в Acer Campestre L.//Матеріали конф. «Актуальные вопросы ботаники и экологии». - Харьков.-1996.- С.21.
12.
Бортник Л.Н. Лабораторная обработка данных о загрязненности расти-тельности на территории Харькова тяжелыми металлами// Материалы 2-й конф. «Применение персональных компьютеров в научных исследованиях и учебном процессе». -Харьков.-1996.- С.54.
АНОТАЦІЯ
Бортнік Л.М. Екологічна оцінка урболаншафтів за вмістом важких металів у системі грунт-рослина (на прикладі м.Харкова).-Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00. 16 - екологія. Дніпропетровський державний університет, Дніпропетровськ, 1999.
Досліджений вміст важких металів у грунтах та рослинахі лісопаркової зони міста Харкова. Проведена екологічна оцінка забруднення поверхневого шару грунтового покриву. Складені картосхеми геохімічних ореолів розсіювання основних забруднювачів екосистеми. Проведена оцінка стану рослинного покриву методом біоіндикації. Виявлено види рослин, які толерантні до забруднення важкими металами. Проведений системний ана-ліз перерозподілу забруднення у системі грунт-рослина. Отримані результати дозволили вивчити характер розподілу забруднень у ланках урбоекосистеми міста Харкова.
Ключові слова: урболандшафт, забруднення, важкі метали, біоіндикація, система грунт-рослина.
АННОТАЦИЯ.
Бортник Л.Н. Екологическая оценка урболандшафтов по содержанию тяжелых металлов в системе почва-растение (на примере г.Харькова) - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.16. экология, Днепропетровский государствен-ный университет, Днепропетровск, 1999.
Исследовано содержание тяжелых металлов в почвах и растениях лесопарковой зоны города Харькова. Проведена экологическая оценка загрязнения поверхностного слоя почвенного покрова. На большей части лесопарковой территории города присутствует интенсивное педогеохи-мическое загрязнение (в сравнении с фоновым содержанием) вредными веществами, такими как Pb, Zn, Cu, Cr, Ni.
Составлены компьютерные картосхемы, которые характеризуют типы распределения разных металлов в почвах в черте города. Для Ni, Mn, Zn характерно монотонное распределение величин их содержания относи-тельно центра города. Для Cr та Cu в структуре распределения выделяются две противоположных тенденции увеличения. Для свинца и кобальта характерно полицентрическое распространение с несколькими ореолами высокого содержания.
Интегральные показатели полиэлементного загрязнения свиде-тельствуют о значительном уровне загрязнения многими ингредиентами парка им. Артема, 40-летия ВЛКСМ, Молодежи и Алексеевского лугопарка. Умеренное загрязнения определили на территории парков Основа, Юность, им. Маяковского, им. Шевченка, им. Жукова, им. Горького, Григоровского бора. На остальных территориях присутствует незначительное загрязнение тяжелыми металлами.
По результатам визуальных наблюдений, установлены морфо-логические, экологические изменения растительного покрова. Анализ пораженности листовой пластинки по шкале оценок показал устойчивые виды к атмосферному загрязнению - тополь черный, дуб обыкновенный, клен остролистный. Определились поражения, которые имеют косвенное отношение к загрязнителям воздуха - грибковые
