ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АНІСІМОВА Лариса Борисівна

УДК 504.05(477.63)

ОСОБЛИВОСТІ БІОГЕННОЇ МІГРАЦІЇ
МАРГАНЦЮ, ЗАЛІЗА, НІКЕЛЮ, МІДІ, ЦИНКУ І СВИНЦЮ

У БІЛОАКАЦІЄВИХ (Robinia pseudoacacia L.) КУЛЬТУРБІОГЕОЦЕНОЗАХ

СТЕПОВОГО ПРИДНІПРОВ’Я

03.00.16 – ЕКОЛОГІЯ

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті проблем природокористування та екології
Національної академії наук України.

Науковий керівник: доктор біологічних наук

ГРИЦАН Наталія Петрівна,

Інститут проблем природокористування

та екології НАН України,

старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор

ЦВЄТКОВА Ніна Миколаївна,

кафедра геоботаніки, ґрунтознавства та екології,

Дніпропетровський національний університет,

професор

кандидат біологічних наук

СМЕТАНА Олексій Миколайович,

кафедра прикладної екології,

Криворізький технічний університет,

доцент

Провідна установа: Інститут екології Карпат,

Національна академія наук України,

м. Львів

Захист відбудеться “ 01 ” березня 2006 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08. 051. 04 для захисту дисертацій на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук при Дніпропетровському національному університеті за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ,
вул. Наукова, 13, корпус. 17, біолого-екологічний факультет, ауд. 611.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Дніпропетровського національного університету Міністерства освіти та науки України за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Козакова, 8.

Автореферат розісланий ” 27 ” січня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат біологічних наук, доцент Дубина А.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із найбільш значущих питань у рамках програми стійкого розвитку регіонів України є керування екологічними процесами в локальних, регіональних і глобальних масштабах. Фізичний стан природних об'єктів і рівень матеріально-енергетичного обміну в них є визначальними в оцінці здатності екосистем виконувати природоохоронні функції – постійно відновлювати здатність природних екосистем до продукування і відтворення органо-мінеральної речовини через біогенну міграцію хімічних елементів.

Процес міграції хімічних елементів є найбільш ефективним механізмом реакції чутливості екосистем у відповідь на вплив зовнішніх несприятливих екологічних чинників, тому його дослідження є актуальним для комплексної оцінки біогеоценозів, здійснення й удосконалення регіональної системи екологічного моніторингу, а також вирішення проблем, пов’язаних з необхідністю створення екологічно безпечних умов існування й відновлення елементів навколишнього середовища. Рішення найбільш важливих проблем, що виникли внаслідок порушення навколишнього середовища, вимагає вивчення біогенної міграції в техногенно навантажених регіонах для прогнозування динаміки стану екосистем, а в подальшому і розробки плану екологічної політики адміністративних районів. Отже, практичні потреби диктують необхідність докладного дослідження біогенної міграції хімічних елементів.

Теоретичні та методологічні засади процесів, які здійснюються у біогенній міграції хімічних елементів, викладені в працях В.І. Вернадського (1940), Б.Б. Полинова (1947), Д.М. Прянишникова (1963), М.П. Ремезова (1956), Л.Є. Родіна і Н.І. Базилевич (1965), О.І. Перельмана (1975), В.О. Ковди (1975) та інших. Сучасні дослідження цих питань знайшли відображення у наукових працях В.В. Добровольського (1983, 2003), В.О. Алексєєнко (2000), Н.М. Цвєткової (1992, 2000) та інших. На сьогодні концепція біогенної міграції елементів, зокрема важких металів, потребує подальшого розвитку, доповнення, дослідження нових тенденцій, що виявляються за сучасних умов індустріалізації. Проста констатація факту підвищеного вмісту важких металів в одиничних компонентах біогеоценозів на окремій території є недостатньою. Тому виникла нагальна потреба у розробці такої системи оцінки біогенної міграції важких металів у біогеоценозах, що діалектично поєднувала б два підходи – ємнісний і швидкісний та всебічно характеризувала б процес біогенної міграції у цілому і кожної його ланки окремо.

Матеріали з дослідження вмісту і розподілу на території степового Придніпров’я небезпечних забруднювачів, якими є марганець, залізо, нікель, мідь, цинк та свинець, допоможуть у розробці національних і міжнародних дослідницьких програм, спрямованих на організацію контролю за станом навколишнього середовища, сприятимуть вивченню закономірностей, що підтримують нормальний стан окремих екосистем і біосфери в цілому.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота логічно пов’язана з виконаними в межах держбюджетної науково-дослідної тематики Інституту проблем природокористування та екології НАН України: НДР “Розробка методичних підходів до встановлення гранично допустимих параметрів техногенного навантаження на природні компоненти території” (номер держреєстрації 0101U008150); НДР “Наукове обґрунтування пріоритетних напрямів досягнення сталого розвитку техногенно навантажених регіонів з урахуванням його нормативних показників” (номер держреєстрації 0199U004402); НДР “Наукове обґрунтування основних принципів керованої трансформації господарського комплексу техногенно навантажених регіонів для забезпечення поетапного досягнення показників сталого розвитку” (номер держреєстрації 0104U002370).

Мета і завдання дослідження. Мета даного дослідження полягає у виявленні особливостей біогенної міграції марганцю, заліза, нікелю, міді, цинку і свинцю у білоакацієвих культурбіогеоценозах під впливом антропогенної діяльності на прикладі міста Дніпропетровська і сільської місцевості Дніпропетровської області.

Відповідно до поставленої мети в роботі передбачалося вирішення таких завдань:

·

·

·

·

·

Об'єктами дослідження були культурбіогеоценози міста Дніпропетровська і сільської місцевості Дніпропетровської області, які сформовані на чорноземі звичайному, видом-едифікатором яких є біла акація (Robinia pseudoacacia L.).

Предметом дослідження є особливості (теоретичні й прикладні аспекти) локальної річної біогенної міграції марганцю, заліза, нікелю, міді, цинку і свинцю у білоакацієвих культурбіогеоценозах міста Дніпропетровська й сільської місцевості Дніпропетровської області.

Методи дослідження. Науково-теоретичною й методологічною базою дисертаційного дослідження є біогеоценологічні принципи з використанням класичних методів, прийнятих в екології, геоботаніці, ґрунтознавстві, кліматології, дендрології, лісознавстві. Для кількісного визначення елементів, які досліджувались, використовували метод атомно-абсорбційної спектрофотометрії.

Вірогідність і обґрунтованість отриманих результатів визначених тенденцій обумовлюються використаними науковими методами дослідження і значними масивами статистично обробленої інформації.

Наукова новизна одержаних результатів. У результаті теоретичних, лабораторних і польових досліджень розроблені прикладні підходи щодо оцінки локальної річної біогенної міграції марганцю, заліза, нікелю, міді, цинку і свинцю у білоакацієвих культурбіогеоценозах міста Дніпропетровська й сільської місцевості Дніпропетровської області.

Вперше запропоновано комплексну систему кількісних показників, за допомогою яких можна оцінити інтенсивність і виявити ступінь змін у біогенній міграції важких металів у білоакацієвих культурбіогеоценозах міста Дніпропетровська в порівнянні з культурбіогеоценозами сільської місцевості Дніпропетровської області.

На основі розроблених теоретичних підходів вперше проведено натурні дослідження біогенної міграції марганцю, заліза, нікелю, міді, цинку і свинцю у культурбіогеоценозах степового Придніпров’я, які сформовані видом-едифікатором білою акацією в місті Дніпропетровську і сільській місцевості Дніпропетровської області.

Визначено кількісну оцінку показників біологічної продуктивності живої речовини, що дозволяє виявити особливості антропогенного впливу на білоакацієві культурбіогеоценози у місті у порівнянні з сільською місцевістю.

Виявлено зміни в характері розподілу марганцю, заліза, нікелю, міді, цинку і свинцю в органах білої акації, опаді та підстилці досліджуваних культурбіогеоценозів міста Дніпропетровська в порівнянні з контрольним культурбіогеоценозом.

Установлено відмінності в балансі біомаси та мертвої органо-мінеральної речовини білої акації і важких металів у досліджуваних білоакацієвих культурбіогеоценозах.

Систематизовано показники, що характеризують статику і динаміку біогенної міграції марганцю, заліза, нікелю, міді, цинку і свинцю.

Практичне значення отриманих результатів. Наукові результати, які отримані в дисертаційній роботі, спрямовані на удосконалення досліджень біогенної міграції важких металів і можуть бути використані під час проведення моніторингу біогеоценозів з іншими видами-едифікаторами, а конкретні дані – у процесі розробки планів регіональної екологічної політики та соціально-економічного розвитку адміністративних районів та України в цілому, для удосконалення та розвитку регіональної комплексної системи екологічного моніторингу, створення міської системи екомоніторингу. Отримані результати використані Управлінням екології і природних ресурсів у Дніпропетровській області при розробці плану регіональної екологічної політики і комплексної програми соціально-економічного розвитку Дніпропетровської області до 2010 року (довідка № 165/10-25 від 24.05.2003 р.). Запропоновані результати дисертаційної роботи були прийняті Управлінням з екології Дніпропетровської міської ради до практичного застосування для розробки єдиної територіально-функціональної системи екологічної мережі міста Дніпропетровська, удосконалення та розвитку регіональної комплексної системи екологічного моніторингу (довідка № 391-1/3 від 29.09.2004 р.). Наукові розробки дослідження прийняті для практичного застосування у зеленому господарстві міста при здійсненні санітарно-оздоровчих заходів і проведенні обліку у міських паркових культурбіогеоценозах (довідка № 17 від 30.08.2004 р.) та використовуються у Новомосковському державному лісовому господарстві (довідка № 15 від 25.03.2004 р.). Основні положення дисертаційної роботи використані при розробці програми, підготовці навчально-методичного забезпечення й викладанні навчальних курсів “Екологія” та “Безпека життєдіяльності” для студентів Дніпропетровської державної фінансової академії (довідка № 2 від 06.11.2005 р.).

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є самостійним дослідженням здобувача, у якій узагальнені оригінальні матеріали. Усі наукові результати, викладені в дисертаційному дослідженні, отримані автором особисто. З колективно опублікованих робіт у дисертації використані матеріали, що є результатом самостійної роботи здобувача. У роботі “Environmental impact assessment for Dnepropetrovsk region” (Екологія та ноосферологія. – 1999. – Т.8, №4. – С. 158-171; співавтори Н.П. Грицан, А.П. Бабій, В.В. Федотов, М.В. Шпак) автору належить збір матеріалу і його обробка, проведення експерименту. У роботі “Effects of human activities on black soils (chernozem)” (Екологія та ноосферологія. – 2000. – Т.9, №1-2. –– С. 43 –54; співавтори Н.П. Грицан, А.П. Бабій, В.В. Федотов, М.В. Шпак) автору належить збір частини фактичного матеріалу і його обробка, проведення експерименту. У роботі “Relationships between emission and concentrations of atmospheric pollutants ” (Екологія та ноосферологія. – 2001. – Т.10, №1-2. –– С. 91-98; співавтори Н.П. Грицан, А.П. Бабій, В.В. Федотов, М.В. Шпак) автору належить збір фактичного матеріалу і його обробка, проведення експерименту і співавторство у формулюванні висновків. У роботі “Soil functions in biological circles of heavy metals” (Грунтознавство. – 2002. – Т.2, № 1-2. – С. ; співавтори Н.П. Грицан, А.П. Бабій) автору належить збір фактичного матеріалу, проведення експерименту і співавторство у висновках.

Права співавторів у публікаціях не порушені.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися та обговорювалися на регіональних і міжнародних наукових конференціях: “Безпека життєдіяльності населення: проблеми та шляхи їх розв'язання” (Дніпропетровськ, 1998); “Проблеми раціонального використання і відтворення природно-ресурсного потенціалу України” (Чернівці, 2000); “Екологія і здоров'я людини. Охорона водного і повітряного басейнів. Утилізація відходів” (Щолкіно, АР Крим, 2000); “Екологія кризових регіонів України” (Дніпропетровськ, 2001); “Проблеми природокористування, сталого розвитку та техногенної безпеки регіонів” (Дніпропетровськ, 2001, 2003); “Global Atmospheric Change and its Impact on Regional Air Quality” (Іркутськ, 2002); “Довкілля – ХХІ” (Дніпропетровськ, 2002, 2004); “Молодь у вирішенні регіональних та транскордонних проблем екологічної безпеки” (Чернівці, 2003); “Природничі науки на межі століть” (Ніжин, 2004), “Environmental simulation chambers: application to atmospheric chemical processes” (Польща – Закопанє, 2004), а також щорічно доповідалися на засіданнях вченої ради Інституту проблем природокористування та екології НАН України, щорічних наукових конференціях за результатами науково-дослідної роботи Дніпропетровської державної фінансової академії.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 21 наукова робота, серед яких: 5 – статті в наукових фахових виданнях, затверджених ВАК України (4 – у співавторстві), 5 – у збірниках наукових праць, 11 – у матеріалах і тезах конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, додатків. Дисертацію викладено на 351 сторінці: 139 сторінок основного тексту, 33 ілюстрації, 58 таблиць і 88 додатків. Список використаних літературних джерел включає 270 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

БІОГЕННА МІГРАЦІЯ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ У ПРИРОДІ

У розділі проаналізовано ряд фундаментальних робіт, у яких висвітлюється еволюція основного понятійного і категоріального апарату, який є необхідним для розуміння досліджуваної проблеми. Розглядається головна концепція, яка лежить в основі даної роботи. Незамкнутість є однією з основних властивостей процесів міграції хімічних елементів на рівні окремих біогеоценозів, тому концепція незамкнутості біогенного потоку атомів, що надходять у живу речовину, потребує подальшого вивчення. Як показує огляд останніх публікацій, на даний час є об’єктивна необхідність у застосуванні комплексного підходу до вивчення міграційних процесів хімічних елементів у біогеоценозах південного сходу степової зони України, але недостатньо досліджена циклічність потоку речовин як одного з ефективних механізмів чутливості реакції біосфери у відповідь на вплив несприятливих екологічних факторів. Недостатньо вивчений процес міграції важких металів у системі ґрунти – атмосфера.

ФІЗИКО-ГЕОГРАФІЧНА ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНУ ДОСЛІДЖЕНЬ

У даному розділі надана коротка характеристика природних і екологічних умов Дніпропетровської області та міста Дніпропетровська, що включає опис геоморфологічних і гідрогеологічних особливостей, рельєфу території, клімату, погодних умов, ґрунтів, рослинного і тваринного світу, а також стан навколишнього середовища на території степового Придніпров’я.

ОБ'ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ

Об'єктами дослідження були білоакацієві культурбіогеоценози – парки міста Дніпропетровська й лісозахисні смуги сільської місцевості Дніпропетровської області, вибір яких обумовлений схожими умовами їх формування й функціонування. Предмет дослідження – особливості (теоретичні та прикладні аспекти) локальної річної (у період
1997 –  рр.) біогенної міграції важких металів (марганцю (Mn), заліза (Fe), нікелю (Ni), міді (Cu), цинку (Zn) і свинцю (Pb)) у білоакацієвих культурбіогеоценозах степового Придніпров’я. Методи дослідження базувались на біогеоценологічних принципах з використанням класичних методик, загальноприйнятих у геоботаніці, фітоценології, ґрунтознавстві, метеорології та кліматології, дендрології та степовому лісознавстві. В основі математичної обробки отриманих результатів лежать загальноприйняті методи варіаційної статистики. Визначення важких металів здійснювалось методом атомно-абсорбційної спектрофотометрії.

ТЕОРЕТИЧНІ ПІДХОДИ ДО ВИВЧЕННЯ БІОГЕННОЇ МІГРАЦІЇ МАРГАНЦЮ, ЗАЛІЗА, НІКЕЛЮ, МІДІ, ЦИНКУ І СВИНЦЮ У БІЛОАКАЦІЄВИХ (Robinia pseudoacacia L.) КУЛЬТУРБІОГЕОЦЕНОЗАХ СТЕПОВОГО ПРИДНІПРОВ’Я

Запропоновано оригінальні теоретичні підходи до вивчення процесів біогенної міграції елементів: представлено загальні схеми річного потоку біогенної міграції важких металів. Використано оригінальний підхід – виділений об’єм у культурбіогеоценозі з заданими параметрами: висота стовпа атмосферного повітря – 20 м (відповідає висоті модельних дерев); глибина ґрунтового шару – 1 м (глибина корененаселеного шару); одиниця площі – 1 га. Такий підхід дозволив нам розрахувати запаси досліджених хімічних елементів, які беруть участь у річній біогенній міграції в білоакацієвих культурбіогеоценозах, що розташовані в місті Дніпропетровськ і в сільській місцевості Дніпропетровської області, а також виявити принципову різницю у біогенній міграції важких металів в умовах різного ступеня впливу антропогенної діяльності. У біогенній міграції елементів у культурбіогеоценозах на територіях з більшим антропогенним навантаженням виявлені додаткові ланки – викиди в атмосферу від стаціонарних джерел і автомобільного транспорту, вміст елемента в атмосферному повітрі (що не є характерним для еталонної контрольної території). Специфічністю біогенної міграції металів у міському середовищі є надлишкове поглинання елементів рослинами із забрудненого навколишнього середовища (атмосфери й ґрунту). Збільшення виходу важких металів з біогенної міграції у місті здійснюється за рахунок видалення опаду і підстилки з території біогеоценозів.

У розділі представлено комплексну систему кількісних статичних і динамічних показників (табл. 1), які всебічно характеризують біогенну міграцію хімічних елементів у цілому та окремі її ланки. Запропонована система показників, що використана для кількісної оцінки біогенної міграції металів, розширює можливості її практичного застосування для виявлення відмінності антропогенного впливу на біогеоценози та удосконалює раніше відомі системи показників щодо дослідження біологічних кругообігів (А.А. Титлянова, 1971; М. Тесаржова, 1991).

Ця система показників дозволила вперше провести кількісну оцінку і порівняльний аналіз річної біогенної міграції, а удосконалення теоретичних підходів до вивчення біогенної міграції елементів дозволило вперше розрахувати загальну кількість кожного хімічного елемента у біогеоценозі шляхом підсумовування запасу цього елемента, що одночасно знаходиться в ґрунті, органах дерев білої акації, опаді, підстилці й атмосфері для досліджуваних білоакацієвих культур біогеоценозів у місті Дніпропетровську та у сільських районах Дніпропетровської області. Використання балансового методу для вивчення біогенної міграції стало можливим завдяки запропонованій системі показників.

БІОЛОГІЧНА ПРОДУКТИВНІСТЬ І МАСА МЕРТВОЇ ОРГАНО-МІНЕРАЛЬНОЇ РЕЧОВИНИ – ЕЛЕМЕНТ-СКЛАДОВІ БІОГЕННОЇ МІГРАЦІЇ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У БІЛОАКАЦІЄВИХ КУЛЬТУРБІОГЕОЦЕНОЗАХ

На підставі проведених польових і лабораторних досліджень білоакацієвих культурбіогеоценозів м. Дніпропетровська і сільської місцевості Дніпропетровської області кількісно визначені основні показники, що характеризують: процеси синтезу (біологічна продуктивність дерев, а саме, біомаса приросту надземної частини, чистої продукції); нагромадження (біомаса надземної частини дерев білої акації та її структурних частин – листя, ауксибластів, плодів, гілок, кори, деревини; біомаса коренів); розпад (маса мертвої органо мінеральної речовини, а саме: річного опаду й підстилки). Було виявлено, що на територіях з більш-

Таблиця 1

Показники, що характеризують біогенну міграцію важких металів

Показник | Позна-чення | Формулювання | Формула | Од. виміру

СТАТИКА

Ємність міграції | CC | Вміст елемента в біомасі | CC | кг

Резервний фонд | RF | Кількість елемента в ґрунті | RF | кг

Обмінний фонд | EF | Кількість елемента в опаді | EF | кг/рік

Сумарний фонд | SM | Кількість елемента, його вміст у всіх ланках

біогенної міграції | SM | кг

Річний фонд нагромадження | АА | Кількість елемента в річному прирості біомаси | АА | кг/рік

Баланс | B | Кількісна різниця елемента між його надходженням і витратою

в циклі біогенної міграції | кг/рік

“Розімкнутість”

біогенної міграції | R | Відношення балансу елемента до його надходження (витрати)

в біогенній міграції | %

ДИНАМІКА

Швидкість асиміляції елемента | Va | Кількість елемента в річному прирості надземної частини рослин | Va | кг/рік

Інтенсивність

асиміляції елемента | Іa | Відношення швидкості асиміляції до резервного фонду елемента | (Va :SMi)x100% | %/рік

Час асиміляції

елемента | Тa | Відношення резервного фонду до швидкості

асиміляції | SMi : Va | рік

Швидкість повернення елемента в цикл міграції | Vf | Кількість елемента в опаді | Vf | кг/рік

Інтенсивність повернення елемента в процес міграції | Іf | Відношення швидкості повернення до резервного фонду елемента | (Vf :SMi)x100% | %/рік

Час повернення елемента в процес міграції | Тf | Відношення резервного фонду елемента до

швидкості повернення елемента в процес міграції | SMi : Vf | рік

Швидкість виходу елемента з процесу міграції | Vr | Сума елемента, винесеного з біогеоценозу

поверхневим стоком і відчужуваним опадом | Vr | кг/рік

Інтенсивність виходу елемента з процесу
міграції | Іr | Відношення швидкості виходу елемента з міграції до сумарного фонду елемента в біогеоценозі | (Vr : SMi)x100% | %/рік

Час виходу елемента з процесу міграції | Тr | Відношення сумарного фонду елемента до швидкості виходу елемента з процесу міграції | SMi : Vr | рік

Інтенсивність біогенного нагромадження | ВА | Відношення кількості елемента в прирості деревини до резервного фонду елемента в біогеоценозі | (AA : RF)x100% | %/рік

Інтенсивність

мінералізації опаду | FM | Відношення кількості елемента в обмінному фонді до його вмісту в підстилці | (EF : MC)x100% | %/рік

ЗМІНИ В БІОГЕННІЙ МІГРАЦІЇ ПІД ВПЛИВОМ АНТРОПОГЕННОЇ ДІЯЛЬНОСТІ

Статичні показники | Відношення показника в місті до показника в селі | (Ic : Ib)x100% | %

Динамічні показники | Різниця між показниками в місті і в селі | Iс – Ib

інтенсивним антропогенним навантаженням у штучних білоакацієвих насадженнях (парках) м. Дніпропетровська показники продуктивності нижчі, ніж у контрольному культурбіогеоценозі (лісосмузі), що розташований у сільській місцевості: біомаси приросту надземної частини, чистої продукції – в 1,5, біомаси листя, плодів, деревини – в 1,4, біомаси надземної частини дерев білої акації – в 1,3, ауксибластів, гілок і кори – в 1,2, маси річного опаду – в 1,5, а підстилки – в 6,5 раза (рис. 1).

Рис. 1. Зміна продуктивності білої акації у культурбіогеоценозах відносно контрольного насадження

Дослідження показали, що основна частина біомаси білої акації в культурбіогеоценозах – це деревина, яка становить у середньому 80% від надземної й 73% від загальної біомаси дерев.

При порівнянні біологічної продуктивності білої акації окремих культурбіогеоценозів виявлено, що період оборотності надземної біомаси білої акації в культурбіогеоценозах міста у середньому триває на 17 місяців довше, ніж у сільський місцевості, а для повної біомаси дерев – на 5 років.

Установлено пряму кореляційну залежність між діаметром стовбура дерев білої акації на висоті 1,3 м від ґрунтової поверхні та біомасою їх деревини.

Визначено показник річної акумуляції органо-мінеральної речовини та енергії досліджуваних білоакацієвих насаджень, величина якого на території культурбіогеоценозів сільської місцевості в 3,7 раза більша, ніж у місті і залежить від співвідношення кількості опаду до загальної надземної біомаси білої акації. Визначення ОПК (опадо-підстилковий коефіцієнт) показало, що в культурбіогеоценозах міста його величина в 1,2 рази менш, ніж у контролі й чітко залежить від інтенсивності впливу антропогенної діяльності.

Процес міграції досліджених хімічних елементів цілком залежить від біологічної продуктивності, стану й трансформації органо-мінеральної речовини білої акації, а показники біологічної продуктивності є першоосновою для подальших розрахунків і встановлення тенденцій та закономірностей.

ЗАПАСИ МАРГАНЦЮ, ЗАЛІЗА, НІКЕЛЮ, МІДІ, ЦИНКУ І СВИНЦЮ У БІЛОАКАЦІЄВИХ КУЛЬТУРБІОГЕОЦЕНОЗАХ

Розділ присвячений кількісній оцінці біогенної міграції хімічних елементів і виявленню особливостей їх окремих ланок та змін під впливом антропогенної діяльності. Вимір акумулювання металів у листі, ауксибластах, плодах, гілках, корі та деревині підтвердив таке:

-

-

У міських культурбіогеоценозах вміст усіх досліджуваних металів у листі, ауксибластах, гілках, плодах, корі і деревині білої акації перевищує такий у деревах сільських районів. В опаді і підстилці вміст Mn, Fe, Ni, Cu, Zn і Pb збільшується при зростанні антропогенного навантаження. Нами виявлена тенденція щодо підвищеного вмісту рухомих форм сполук важких металів у ґрунтах міських біогеоценозів у порівнянні з контрольним.

Запас досліджуваних елементів в органах білої акації на території біогеоценозів у місті значно вищий, ніж у сільській місцевості, причому перевищення запасів Cu, Zn і Pb у деревині досягає 6 разів. Найбільша частина в сукупному запасі досліджуваних хімічних елементів, що повертаються з опадом до процесу міграції, припадає на Fe – 76% на контрольній площі і 95% – у середньому в культурбіогеоценозах міста. Сукупний запас досліджуваних металів, що видаляється з культурбіогеоценозів з опадом і підстилкою, складає десятки кілограмів на гектар.

Запаси важких металів (за винятком марганцю й заліза) у ґрунтах міста також вищі у середньому на 23%, ніж у ґрунтах контрольного біогеоценозу. Найбільша частка (до 95%) від сумарного вмісту досліджуваних металів у ґрунті припадає на Fe.

Кількість запасу металів, яка виноситься поверхневим стоком з міських культурбіогеоценозів, більша, ніж з контрольної території: Ni – до 2 разів, Cu й Zn – у 3, Pb – у 4, а Fe – у 6 разів.

Установлена характерна закономірність: в умовах забруднення середовища викидами автотранспорту й промислових підприємств змінюється характер розподілу запасу важких металів в органах білої акації, опаді й підстилці досліджуваних білоакацієвих культурбіогеоценозів – понад 50% запасу Ni, Cu, Zn і Pb припадає на деревину, а при відсутності забруднення основний запас (понад 50%) цих металів зосереджений у підстилці.

Характерною рисою балансу міграції важких металів у міських білоакацієвих біогеоценозах є те, що різниця між надходженням та витратою елементів негативна у всіх випадках. Це значить, що важкі метали разом із органо-мінеральною речовиною повертаються в процес міграції не повністю, отже, в біогеоценозах міста виникає явна нестача речовини. У сільській місцевості, навпаки, для всіх досліджуваних металів різниця позитивна. Процес біогенної міграції Mn, Fe, Ni, Cu, Zn і Pb на території контрольного білоакацієвого культурбіогеоценозу виявився найдосконалішим: тут надходження цих металів практично дорівнювало їх витраті (рис. 2).

Рис. 2. Баланс сумарного вмісту марганцю, заліза, нікелю, міді, цинку і свинцю у білоакацієвих культурбіогеоценозах (301-А – 309-А – місто; 310-А – 313-А – сільська місцевість)

ДИНАМІКА БІОГЕННОЇ МІГРАЦІЇ МАРГАНЦЮ, ЗАЛІЗА, МІДІ, НІКЕЛЮ, ЦИНКУ І СВИНЦЮ У БІЛОАКАЦІЄВИХ КУЛЬТУРБІОГЕОЦЕНОЗАХ СТЕПОВОГО ПРИДНІПРОВ’Я

На підставі отриманих і статистично оброблених даних установлена така закономірність: ємність міграції металів при зростанні інтенсивності діяльності людини збільшується в середньому в 2 рази. Установлено факт незначного зростання обмінного фонду Ni, Cu, і Pb в біогеоценозах сільської місцевості в порівнянні з міськими; що ж до Mn, Fe й Zn, то виявлено їх збільшення до 2,5 раза у досліджуваних культурбіогеоценозах промислового міста, у порівнянні з нашим еталонним біогеоценозом. Показники нагромадження досліджуваних важких металів вищі в культурбіогеоценозах міста у порівнянні з контрольним: для Fe – в 1,4 раза, Ni – у 2,7 раза, Cu – у 2 рази, Zn – у 1,8 раза й для Pb – у 3 рази. Установлено, що і в природних умовах та під впливом антропогенних факторів цикл біогенної міграції важких металів у насадженнях білої акації є незамкнутим: у сільських насадженнях абсолютне значення цього показника для Mn й Pb – в 1,8, Fe й Cu – у 4, Ni – в 1,5, Zn – у 2,6 раза є меншим, ніж у міських біогеоценозах. Розімкнутість біогенної міграції для Mn – в 1,7, Fe – у 2, Ni – в 1,6, Cu – у 5,5 Zn – в 1,8 й Pb – у 2,2 рази є більшою у міських білоакацієвих культурбіогеоценозах, ніж у контрольному, що є підтвердженням більшої досконалості біогенної міграції в умовах з менш інтенсивною антропогенною діяльністю.

Доведено, що зростання техногенного навантаження призводить до зміни динамічних показників (швидкості, інтенсивності й часу) двох основних процесів - залучення і повернення металу до біогенної міграції. Установлено, що швидкість асиміляції важких металів у місті у середньому в 1,2 (для Mn – в 3,3) рази більша, а інтенсивність асиміляції у 1,5 – 2 рази менша, ніж на контрольній ділянці. Час асиміляції в міських біогеоценозах для Ni, Cu, Zn й Pb збільшується до 50%, а для Mn й Fe зменшується у порівнянні з еталоном. Швидкість та інтенсивність повернення важких металів до міграції в міських насадженнях менша (для Pb, Cu і Ni у 8 разів), ніж у контрольному, а час повного повернення важких металів до міграції у місті більший (для Cu і Pb у 6 разів). В умовах контролю час повернення важких металів до біогенної міграції завжди менший, ніж час асиміляції (див. табл. 1). Показники виведення досліджених елементів з біогенної міграції в міських культурбіогеоценозах вищі, ніж на контрольній ділянці: швидкість для Mn в 1,4, Fe в 6,5, Ni у 3, Cu у 5, Zn у 3,2 й для Pb – у 4 рази; інтенсивність для Fe у 5,5, Ni, Cu, Zn й Pb – у 2 рази. Час виведення для Mn, Ni, Cu, Zn й Pb у 2, Fe у 6 разів, навпаки, менший.

ВИСНОВКИ

1. Удосконалено комплексну екологічну систему кількісних показників оцінки річної біогенної міграції хімічних елементів додатковими статичними і динамічними показниками для виявлення особливостей (динаміки) у біогенній міграції важких металів.

2. Кількісні показники біологічної продуктивності, маси мертвої органо-мінеральної речовини в досліджуваних білоакацієвих культурбіогеоценозах в умовах міста нижчі в порівнянні з показниками, які отримані в умовах з меншим техногенним навантаженням.

3. Зміст та запаси металів в органах білої акації, мертвій органо-мінеральній речовині та ґрунтах міських культурбіогеоценозів значно вищі, ніж в умовах сільської місцевості. Частка досліджених хімічних елементів, що виноситься поверхневим стоком з території міських насаджень, також більша, ніж з території контрольного біогеоценозу.

4. В умовах сільської місцевості більшість запасу нікелю, міді, цинку і свинцю зосереджено в підстилці, тоді як у промисловому місті основна кількість запасу цих металів від усієї їхньої сукупності в білій акації і органо-мінеральній речовині досліджуваних білоакацієвих біогеоценозах акумулюється в деревині, корі і гілках білої акації.

5. Для кожного з шести металів усіх досліджуваних міських культурбіогеоценозів характерним є негативне сальдо балансу, а позитивне сальдо для досліджуваних металів було отримане тільки в культурбіогеоценозах сільської місцевості. При розрахунку загального балансу сукупної міграції всіх досліджуваних важких металів для всіх досліджуваних культурбіогеоценозів міста витратна частина балансу була більша, ніж при надходженні, а для біогеоценозів сільської місцевості надходження перевищувало витрати. Найбільш збалансованим виявився сукупний процес міграції важких металів у біогеоценозах сільської місцевості.

6. Ємність біогенної міграції металів в умовах більшого впливу антропогенної діяльності зростає. Виявлено, що резервна кількість таких техногенних металів, як нікель, мідь, цинк і свинець, під впливом більшого антропогенного навантаження в середньому в 2 рази вища, ніж у контрольному біогеоценозі. Визначено, що в білоакацієвих культурбіогеоценозах міста величина обмінного фонду елемента (для марганцю, заліза і цинку) більша, ніж у контрольному насадженні, а для нікелю, міді і свинцю – менша.

7. Антропогенна діяльність призводить до зміни швидкості, інтенсивності і часу двох основних процесів – залучення та повернення металу в процес міграції. Час і швидкість асиміляції в міських насадженнях збільшується, (для марганцю та заліза час асиміляції, навпаки, скорочується), а інтенсивність залучення і повернення металів зменшується у порівнянні з контрольним, Час повного повернення металів до процесу міграції у місті більший, а швидкість та інтенсивність менші. Швидкість та інтенсивність виведення елементів з процесу біогенної міграції йде швидше (час виведення – скорочується) в місті, ніж за еталоном.

8. Вперше оцінено на основі отриманих кількісних показників локальну річну біогенну міграцію важких металів у культурбіогеоценозах виду-едифікатора і виявлено ступінь змін у біогенній міграції, що відбувається на території з більш інтенсивним техногенним навантаженням (у місті Дніпропетровську) у порівнянні з ділянками, де умови наближені до природних (у сільській місцевості Дніпропетровської області). Вплив антропогенних факторів призводить до значних змін у показниках біогенної міграції марганцю, заліза, нікелю, міді, цинку й свинцю в білоакацієвих культурбіогеоценозах.

9. Результати дисертаційної роботи спрямовані на удосконалення досліджень біогенної міграції важких металів і рекомендовані для використання під час проведення моніторингу біогеоценозів з іншими видами-едифікаторами, а конкретні дані – у процесі розробки планів соціально-економічного розвитку регіонів, для створення й удосконалення, міської системи екомоніторингу та розвитку регіональної комплексної системи екологічного моніторингу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статі у наукових фахових виданнях України:

1.

2.

3.

4.

5.

Статі в інших наукових виданнях:

6.

7.

8.

9.

10.

Тези доповідей:

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

Анисимова Л.Б. Особенности биогенной миграции марганца, железа, никеля, меди, цинка и свинца в белоакациевых культурбиогеоценозах (Robinia pseudoacacia L.) степного Приднепровья – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.16 – экология. – Днепропетровский национальный университет, Днепропетровск, 2006.

Диссертация посвящена выявлению особенностей биогенной миграции таких тяжёлых металлов, как марганец, железо, никель, медь, цинк и свинец в белоакациевых культурбиогеоценозах степного Приднепровья.

Впервые предложена комплексная экологическая система количественных показателей, выраженных в абсолютных и