ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Сараненко Інна Іванівна

УДК 574.3 + 579.834

Вплив важких металів
на підсистему “ґрунт–рослина” в лісових культурбіогеоценозах м. Кременчука

03.00.16 – екологія

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Дніпропетровськ–2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі геоботаніки, грунтознавства та екології в Дніпропетровському національному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор біологічних наук, професор

Цвєткова Ніна Миколаївна,

Дніпропетровський національний університет,
кафедра геоботаніки, ґрунтознавства та екології, професор

Офіційні опоненти: | доктор біологічних наук, професор

Бессонова Валентина Петрівна,

Дніпропетровський державний аграрний університет, кафедра садово-паркового господарства, завідувач

кандидат біологічних наук,
Полєва Юлія Львівна,

Академія митної служби України,
кафедра товарознавства та митної
експертизи, доцент

Провідна установа: | Донецький національний університет Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк

Захист відбудеться “1 ” березня 2006 року о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.04 для захисту дисертацій на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук у Дніпропетровському національному університеті за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Наукова, 13, біолого-екологічний факультет, корп. , ауд. 611.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Дніпропет-ровсь-кого національного університету за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Казакова, 8.

Автореферат розісланий “26” січня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат біологічних наук, доцент А.О. Дубина

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Місто Кременчук (Полтавська обл., Україна) – промисловий центр Середнього Придніпров’я з великою густотою населення та інтенсивністю транспортних засобів, високим рівнем індустріалізації. Транспорт і промислові підприємства постачають у навколишнє природне середовище забруднюючі речовини (у тому числі важкі метали). Ці процеси вивели багато хімічних елементів із природного геологічного кругообігу та включили їх у вигляді промислових викидів у біохімічні кругообіги біогеоценозів. Накопичувачем атмосферних забруднень є ґрунт, поряд з ґрунтом – рослинність, яка постачає опад і підстилку. Локалізація та інтенсифікація постачання техногенних потоків важких металів у навколишнє середовище призводить до порушення первісних характеристик регіонів, обумовлює формування техногенних аномалій і біогеохімічних провінцій з різним ступенем екологічної напруги та впливає на функціонування підсистеми “грунт-рослина”. Представлена робота є актуальною, тому що присвячена дослідженню впливу важких металів як складових частин викидів промислових підприємств на підсистему “ґрунт-рослина” лісових культурбіогеоценозів міста. Накопичення промислових викидів у ґрунті призводить не тільки до зміни його фізико-хімічних властивостей, але й до появи нового забруднювача компонентів навколишнього природного середовища – ґрунту. Для встановлення причин його утворення та механізму дії нами був проведений біолого-екологічний аналіз ґрунтів і рослин урбоекосистеми: виявлені особливості міграції важких металів у підсистемі “ґрунт-рослина”, проведена оцінка забруднення компонентів екосистеми міста.

Багатосторонній і комплексний підхід, який застосовано в даній роботі, дозволить виявити екологічні проблеми міста та негайно і планомірно їх вирішити.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проведені згідно з планами науково-дослідних робіт кафедри геоботаніки, ґрунто-знавства та екології Дніпропетровського національного університету в рамках комплексної теми “Антропогенна трансформація лісів степової зони України, віднов-лен-ня, раціональне використання в умовах нових форм власності” (д/б 3-038-032 (№ U000557), 2003-2005 рр.), відділу екології Кременчуцького міськвикон-кому “Науково-дослідна робота з оцінки екологічної ситуації в Кременчуцькому територіально промисловому комплексі з виданням серії карт міста”.

Мета і завдання роботи. На основі багатостороннього дослідження ґрунтів м. Кременчука та стану підсистеми “ґрунт-рослина” здійснити оцінку зміни фізико-хімічних властивостей ґрунтів під впливом викидів, з’ясувати інтенсивність міграції речовин та важких металів в умовах індустріального міста, виявити геохімічні аномалії розповсюдження металів у ґрунтах та ступінь забруднення домінуючих видів деревних порід.

З цією метою було поставлено ряд наступних завдань:–

дослідити морфологічні, фізичні, фізико-механічні та хімічні властивості ґрунтів;

- класифікувати міські ґрунти з урахуванням існуючої класифікації ґрунтів України, природних умов та техногенного впливу;

- виявити закономірності розповсюдження важких металів (ВМ) по ландшафту і глибині ґрунтового профілю;

- визначити кореляційні зв’язки між важкими металами та фізико-хімічними показниками ґрунтів;

- провести аналіз вмісту важких металів у домінуючих деревних породах лісових культурбіогеоценозів міста;

- розрахувати інтенсивність міграції речовин та важких металів в умовах техногенезу в підсистемі “ґрунт-рослина”;

- установити розподіл важких металів по території міста та виявити геохімічні аномалії їх розповсюдження;

- дати екологічну оцінку стану ґрунтів і деревних порід;

- скласти картосхему розповсюдження важких металів на досліджуваній території м. Кременчука.

Об’єкт дослідження – компоненти екосистем міста: ґрунти, деревні рослини (листя домінуючих видів: Aesculus hippocastanum L., Acer platanoides., Robinia pseudoacacia L.), підстилка й опад.

Предмет дослідження – накопичення та міграція важких металів (Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Pb, Cd) у компонентах екосистем, інтенсивність біологічного кругообігу в підсистемі “ґрунт-рослина”, оцінка стану забруднення території міста.

Методи дослідження – фізико-механічні та хімічні властивості ґрунтів досліджувались в наукових лабораторіях хімії та фізики ґрунтів кафедри геоботаніки, ґрунтознавства та екології біолого-екологічного факультету Дніпропетровського національного університету сучасними методами. Визначення важких металів (Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Pb, Cd) в пробах ґрунту, листях, опаді та підстилці проводили методом атомно-абсорбційного спектрального аналізу, розрахунки коефіцієнтів кореляції та обробка результатів – з використанням пакету прикладних програм Statgraphiсs for Windows v. 5.1, оцінка стану забруднення ґрунтів і рослин міста виконана за шкалою Смірнової Р.С., Peвич Б.А., інтенсивність міграції органічних речовин та ВМ визначені за методиками дослідників: Полынова Б.Б. (1965); Родина Л.Е., Базилевич Н.И. (1965); Перельмана А.И. (1966).

Наукова новизна одержаних результатів. Уперше цілеспрямовано, комплексно і всебічно досліджений екологічний стан, морфо-генетичні, фізичні, фізико-механічні та хімічні властивості ґрунтів урбанізованої території м. Кременчука; показані зміни фізико-хімічних властивостей ґрунтів під впливом техногенезу на території міста; установлений кореляційний зв’язок накопичення важких металів у ґрунтах з фізико-хімічними властивостями в техногенних умовах; запропонована номенклатура міських ґрунтів на основі одержаних результатів аналізу їх властивостей, просторової та функціональної будови; установлений ступінь нагромадження ґрунтами важких металів та визначені геохімічні аномалії; показана роль рослин у розповсюдженні важких металів у ґрунтах міста та в зміні їх фізико-хімічних властивостей.

Практичне значення отриманих результатів. Результати даної роботи використовуються міськвиконкомом та управлінням екологічної безпеки для створення природоохоронних заходів, здійснення контролю за екологічною си-туа-цією м. Кременчука, розробки системи показників оцінки впливу екологічно нега-тивних процесів на ґрунти, рослини і людину в умовах інтенсивної урбанізації, а також у викладенні курсу “Загальна екологія” у Кременчуцькому державному політехнічному університеті.

Результати проведеного аналізу екологічного стану території м. Кремен-чука доцільно використовувати для моніторингу міських земель, зокрема для виділення пріоритетних об’єктів спостереження.

Особистий внесок. Усі польові та експериментальні матеріали, дані лабораторних аналізів, обґрунтування результатів, теоретичні розробки отримані особисто автором у період з 2000 по 2005 рр. Усі програми опрацьовані згідно з методикою науково-дослідних робіт, інтерпретовано експериментальний матеріал. Дослідженнями була охоплена вся територія м. Кременчука. За вказаний період були зроблені геоботанічні та біогеоценологічні описи 20 пробних площ, проаналізовано 515 зразків ґрунту, 445 зразків рослин, опаду, підстилки.

Апробація результатів роботи. Результати досліджень доповідались на ІІІ Всеукраїнській науково-практичній конференції “Ідеї В.І. Вернадського і сучасна гуманітарно-економічна освіта в контексті розвитку людства” (Кременчук, 2003), Всеросійській конференції “VI Докучаевские молодежные чтения” (Санкт-Петербург, 2003), ІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Динаміка наукових досліджень” (Дніпропетровськ, 2003), Міжнародній конференції “Геоэко-логические проблемы загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами” (Тула, 2003), Всеукраїнській науково-практичній конференції до 90-річчя від дня народження професора О.Ф. Михайлова “Сучасні проблеми фізіології та інтродукції рослин” (Дніпропетровськ, 2005), Всеукраїнській науково-практичній конференції, присвяченій 45-річчю КДПУ “Біосферно-ноосферні ідеї В.І. Вернадсь-кого та еколого-економічні проблеми розвитку регіонів” (Кременчук, 2005).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 12 наукових робіт, 5 з них – статті у фахових виданнях, що входять до переліку, затвердженого ВАК України (усі написані самостійно), 7 публікацій – у матеріалах доповідей конференцій, семінарів, симпозиумів.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел (350 найменувань, у тому числі 33 іноземних). Загальний обсяг роботи - 183 сторінки, включаючи 28  таблиць,    рисунків та 5 додатків.

Автор висловлює щиру вдячність науковому керівникові д.б.н., професору Цвєтковій Н.М. за постійну підтримку і допомогу у створенні роботи, члену-кореспонденту НАНУ, д.б.н., професору Травлєєву А.П., вченому секретарю спеціалізованої вченої ради, к.б.н., доценту Дубині А.О. і всім працівникам кафедри геоботаніки, ґрунтознавства та екології Дніпропетровського національного університету за цінні поради і творчу співпрацю.

Основний зміст роботи

ОБҐРУНТУВАННЯ ПРОБЛЕМИ ДОСЛІДЖЕННЯ

У розділі проаналізовані роботи наукових дослідників, що вивчали проблеми міграції речовин (у тому числі ВМ), впливу ВМ як складових компонентів промислових викидів підприємств на функціонування підсистеми “ґрунт-рослина” лісових культурбіогеоценозів міст (Родин, Базилевич, 1965; Перельман, 1966; Травлеев, 1972; Одум, 1975; Цветкова, 1980; Кучерявый, 1981; Смирнова, Ревич, 1989; Фрид, 1993; Злобін, 1998; Строганова, Мягкова, 1998; Тихоненко, 2001 та ін.).

Важкі метали техногенного походження, які у надмірній кількості є у міському атмосферному повітрі, втручаються в схему біологічного кругообігу ВМ біогеоценозів і таким чином виникає додаткова ланка поглинання елементів з атмосфери рослинами; змінюється витратна частина біологічного кругообігу – видаляється відповідна частина біомаси з кругообігу. ВМ змінюють фізико-хімічні властивості ґрунту, рослин, підстилки, впливають на мікро- і мезофауну культурбіогеоценозів, а також гальмують процеси розкладу органічної речовини і сповільнюють кругообіг поживних елементів (Якушевская, 1973; Ковда, Зырин, 1973; Котлов, 1977; Смольянинов, 1978; Карпачевский, 1993; Ягодин, 1996).

Частиною нашого дослідження є вивчення локального (не глобального) кругообігу, що відбувається в наземній екосистемі – культурбіогеоценозі.

Наявність у відходах сполук ряду металів є свідоцтвом формування в районах складування відходів екологічної небезпеки, пов’язаної із забрудненням підземних та ґрунтових вод і ґрунтів цих територій. Тому вивчення особливостей міграції і концентрації важких металів у геохімічних ландшафтах, що підлягають техногенному впливу, виявлення аномальних концентрацій їх окремих компонентів природного середовища, екологічна оцінка досліджуваної території в наш час набуває актуальності.

У даному розділі обгрунтована необхідність дослідження впливу ВМ на підсистему “ґрунт–рослина” лісових культурбіогеоценозів м. Кременчука.

ПРОГРАМА, ОБ’ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Програма досліджень. Для визначення комплексного впливу промислових викидів, що містять газо-пилові складові, на вміст та розповсюдження важких металів у компонентах лісових культурбіогеоценозів міста була обрана наступна програма досліджень:

- розмежувати територію міста Кременчука на технозони відповідно до концентрації забруднювачів у атмосферному повітрі, виділити промислові, селитебні і рекреаційні підзони;

- вивчити морфологічні, фізико-механічні та хімічні властивості ґрунтів, на їх основі виділити існуючі підтипи міських ґрунтів;

- провести дослідження ґрунтів на вміст важких металів по ландшафту і глибині ґрунтового профілю у валовій та рухомій формах;

- розкрити кореляційні зв’язки вмісту важких металів у ґрунті з фізико-хімічними властивостями та обсягом твердих викидів підприємств міста;

- виявити забруднення важкими металами рослин лісових культур- біогеоценозів міста;

- визначити показники інтенсивності міграції речовин та важких металів у міських умовах у підсистемі “ґрунт-рослина”;

- виявити геохімічні аномалії розповсюдження ВМ у ґрунтах і визначити ступінь стійкості ґрунтів до забруднення;

- скласти картосхему розповсюдження важких металів у ґрунтах та основних деревних рослинах міста.

Об’єкти досліджень. Територія досліджень представлена в адміністративному аспекті територією м. Кременчука Полтавської обл., Україна.

Місто розділене на два адміністративних райони: Автозаводський (лівий берег р. Дніпра) та Крюковський (правий берег р. Дніпра і східна частина лівобережжя). Територія міста забудована за кластерним типом (промислові та побутові споруди згруповані), окрім Північної частини. Підприємства розташовані на відстані менш ніж 2 км від житлових будинків та зон відпочинку. Основними видами промисловості є нафтохімія, машинобудування, металообробка, будівництва та теплоенергетика. Залежно від характеру виробництва і географічного розташування підприємств у місті виділено п’ять технозон: Південна, Північна, Східна, Західна і Центральна. У кожній з них відокремлені: промислова, селитебна (або промислово-селитебна) та рекреаційна підзони.

З урахуванням забруднення атмосферного повітря на території міста закладено 20 пробних площ: ПП 101У Урбоекосистема – парк Воїнів-Інтернаціоналістів; ПП 102У – ТЕЦ; ПП 103У – Укртатнафта; ПП 104У – завод Технічного вуглецю; ПП 105У – Вагонобудівний завод; ПП 106У – Сталеливарний завод; ПП 107У – парк ім. І.Ф. Котлова; ПП 108У – заводи КрАЗ. Коліс; ПП 109У – завод Силікатної цегли; ПП 110У – вагонне депо ст. Кременчука; ПП 111У – завод ЗБШ; ПП 112У – парк Комсомольський; ПП 113У – Мало-кохнівський гранкар’єр; ПП 114У – Шкіряно-шорний комбінат; ПП115У – Міськ-молокозавод; ПП 116У – завод “Кредмаш”; ПП 117У – парк МЮДа; ПП 118У – ППСПМ парк “Придніпровський”; ПП 119У – проспект 50-річчя Жовтня; ПП 120У – зелена зона заводів КрАЗ, Коліс.

Головними об’єктами дослідження були компоненти лісових культур- біогеоценозів-урбоекосистем міста Кременчука: ґрунти, рослини (листя домінуючих видів деревних порід: гіркокаштану звичайного, клену гостролистого, робінії псевдоакації), підстилка і опад.

Фоновою територію був обраний парк ім. І.Ф.Котлова площею близько 10 га, розташований на правому березі р. Дніпра. Парк ім. І.Ф. Котлова знаходиться на достатній відстані від промислових підприємств.

Методи досліджень. Біолого-екологічні дослідження ґрунтів, рослин, підстилки, опаду лісових культурбіогеоценозів на території м. Кременчука проводились у період 2000-2005 рр. Зразки ґрунту відбирались в 5-кратній повторності з орного шару в селитебних, рекреаційних і промислових підзонах поблизу хімічних, будівельних та машино-будівельних підприємств і в парках міста, які знаходяться далі від джерел забруднення. У лабораторних умовах проаналізовано ґрунти на вміст ВМ, гумусу, обмінних катіонів, водорозчинних солей, рН, вивчені фізичні властивості та гранулометричний склад. Фізико-механічні та хімічні властивості ґрунтів аналізувались за загальноприйнятими методиками (ГОСТ 17.4.1.02-83).

Визначення вмісту важких металів (Fe, Mn, Cu, Zn, Ni, Pb, Cd) у пробах ґрунту, листях, опаді та підстилці проводили методом атомно-абсорбційного спектрального аналізу (Славін, 1971).

Показники біологічного кругообігу речовин: коефіцієнт біологічного поглинання (КБП) та опадо-підстилковий коефіцієнт (ОПК) визначені за методиками дослідників Полинова (1965); Родина, Базилевич (1965); Перельмана (1966).

Для оцінки ступеня нагромадження ВМ у грунтах використовували наступні геохімічні показники (Смирнова, Ревич, 1985):

1. Коефіцієнт концентрації (Ксі), що порівнює реальний вміст хімічного елементу в природному компоненті з вмістом у фоновому аналогу:

Ксі = Сі / Сф ,

де Сі – концентрація забруднюючої речовини в ґрунті, рослинах; Сф – фонова концентрація забруднень (мг/кг – для ґрунтів, рослинності).

2. Сумарний показник концентрації (СПК), що визначає суму підвищеного вмісту над фоновим рівнем усіх хімічних елементів, що беруть участь у забрудненні:

n

СПК = ? С = ? Ксі – (n -1),

і=1

де Ксі – коефіцієнт концентрації хімічного елемента, n – число елементів, для яких Ксі > 1.

ПРИРОДНІ УМОВИ МІСТА КРЕМЕНЧУКА

Кременчук – одне з найбільших промислових міст Полтавщини - розташований на відстані 119 км від обласного центру. Площа міста - 9600 га (92 км2), населення складає 230 тис. чол. Координати м. Кременчука: 33° 02ґ східної довжини і 43° 03ґ північної широти.

У місті функціонують 58 підприємств, які викидають 156 шкідливих речовин, що складає 70% викидів Полтавської області.

У розділі розкриті фізико-географічні умови території дослідження, представлені характеристики клімату, тваринного світу, грунтового покриву та рослинності м. Кременчука.

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ТА МОРФОЛОГІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ҐРУНТІВ ДОСЛІДЖУВАНОЇ ТЕРИТОРІЇ

У розділі представлені результати дослідження основних фізико-хімічних та морфологічних властивостей ґрунтів міста Кременчука (Північної, Південної, Центральної, Західної та Східної технозон). Природний ґрунтовий покрив на більшій частині міста знищений, або піддається значним змінам: переущільнення, перемішування майже всіх шарів ґрунтового профілю, він містить 25-50% антропогенних включень. Істотне місце займають насипні ґрунти з легким гранулометричним складом. Залежно від потужності антропогенного фактора змінюються фізико-хімічні властивості: рН знаходиться в межах від 8,4 до 6,7 (у Північній технозоні), вміст гумусу в ґрунтах промислово-селитебних підзон у 1,5-7 разів нижчий, ніж у рекреаційних, а ємність поглинання зменшується втричі, поглинутий водень збільшується до 9,6%.

На території міста, на основі класифікації міських ґрунтів Строганової М.М., ґрунтів України Тихоненка Д.Г. та методичних рекомендацій Травлєєва А.П., Мірзак О.В. установлені наступні підтипи ґрунтів: індустроземи, культуроземи, урбодернові ґрунти, рістоземи.

РОЗПОДІЛ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У ПІДСИСТЕМІ “ҐРУНТ–РОСЛИНА”

Вміст важких металів у корененасиченому шарі ґрунтів по ланд-шафту. У технозонах м. Кременчука середній вміст ВМ у ґрунті (табл. 1) перевищує фоновий від 1,1 до 9,8 разів (окрім Ni та Cd, їх концентрація в деяких технозонах нижча за фонову внаслідок вимивання в нижні шари ґрунту) і складає наступні ряди:

Fe (фон) < Південна (1,8) < Центральна (3,5) < Східна (5,6) < Західна (5,8) < Північна (5,8);

Mn (фон) < Західна (1,9) < Південна (2,9) < Східна (3,0) < Центральна (3,3) < Північна (4,2);

Zn (фон) < Східна (2,1) < Північна (2,2) < Південна (3,3) < Західна (5,5) < Центральна (9,8);

Cu (фон) < Західна (2,4) < Південна (4,5) < Східна (5,7) < Центральна (6,9) < Північна (9,0);

Західна (1,4) > Північна (1,1) > Ni (фон) = Центральна > Cхідна (3,0) > Південна (1,3);

Pb (фон) > Західна (4,3) > Східна (3,3) > Центральна (2,7) > Північна (1,8) > Південна (1,1);

Південна (3,8) > Cd (фон) > Східна (2,3) > Центральна (1,9) > Західна (1,5) > Північна (1,4).

На рис. 1 представлений абсолютний вміст кожного елементу (у відсотках) в окремих підтипах грунту.

Концентрація ВМ у культуроземах фонової території наступна: Fe – 106,2 мг/кг; Mn – 26,0 мг/кг; Cu – 0,5 мг/кг; Zn – 12,0 мг/кг; Ni – 26,0 мг/кг; Pb – 19,0 мг/кг; Cd – 2,4 мг/кг. Культурозем фонової території не підлягає впливу антропогенного фактора.

Вміст ВМ у ґрунтах, що знаходяться під впливом техногенезу: індустроземах, культуроземах, урбодернових ґрунтах, рістоземах, від 1,5 до 77 разів більший у порівнянні з грунтами фонової території. За перевищенням їх концентрації складають наступні ряди:

Fe: культуроземи (13,6 рази) > індустроземи (12,0 разів) > урбодернові ґрунти (10,0 разів) > рістозем (2,4 рази)

Таблиця 1

Концентрація важких металів у ґрунтах м. Кременчука (с )

Техноз-она | Підзона | Місце відбору проб ґрунту | Вміст важких металів у ґрунті, мг/кг | Fe | Mn | Cu | Zn | Ni | Pb | Cd | Північна | Р* | Парк Воїнів-Інтернаціоналістів | 1445,0±173,4 | 144,0±17,3 | 3,7±0,4 | 23,0±2,8 | 29,4±3,5 | 6,1±0,7 | 1,5±0,2 | П | ТЕЦ | 102,0±12,2 | 26,0±3,1 | 1,3±0,2 | 11,5±1,4 | 10,0±1,2 | 3,0±0,4 | 1,5±0,2 | Укртатнафта | 1276,0±153,1 | 150,0±18,0 | 4,5±0,5 | 28,0±3,4 | 42,2±5,0 | 10,3±1,2 | 2,2±0,3 | Завод Техвуглецю | 17,3±207,1 | 131,0±15,7 | 7,8±0,9 | 27,0±3,2 | 28,0±3,4 | 15,0±1,8 | 1,6±0,2 | С | Проспект 50-річчя Жовтня | 250,0±30,0 | 91,0±10,9 | 3,0±0,4 | 41,0±5,0 | 11,6±1,4 | 15,7±1,9 | 1,7±0,2 | Південна | П-С | Вагонобудівний завод | 363,0±43,6 | 78,0±9,4 | 2,6±0,3 | 64,0±7,7 | 10,0±1,2 | 1,7±0,2 | 1,3±0,2 | Сталеливарний завод | 119,0±14,3 | 120,0±14,4 | 3,6±0,5 | 39,0±4,7 | 11,6±1,4 | 29,2±3,5 | 1,8±0,2 | Р | Парк ім. І.Ф.Котлова | 106,2±12,7 | 26,0±3,1 | 0,5±0,1 | 12,0±1,4 | 26,0±3,1 | 19,0±2,3 | 2,4±0,3 | Західна | П-С | Заводи КрАЗ, Коліс | 956,8±114,8 | 50,0±6,0 | 1,2±0,1 | 11,6±1,4 | 30,0±3,6 | 4,4±0,5 | 1,6±0,2 | Р | Зелена зона заводів КрАЗ, Коліс | 266,5±32,0 | 49,6±5,9 | 1,2±0,1 | 115,6±13,9 | 30,3±3,6 | 4,4±0,5 | 1,6±0,2 | Східна | П-С | Завод силікатної цегли | 855,0±106,2 | 76,0±9,1 | 2,1±0,3 | 20,0±2,4 | 10,0±1,2 | 2,9±0,3 | 1,1±0,1 | вагонне депо

ст. Кременчук | 122,0±14,6 | 45,0±5,4 | 5,7±0,7 | 24,0±2,9 | 8,0±1,0 | 8,2±1,0 | 1,1±0,1 | Завод залізобетонних шпал | 456,0±54,7 | 79,0±9,5 | 2,0±0,2 | 38,3±4,6 | 5,4±0,6 | 3,5±0,4 | 1,0±0,1

П-С | Малокохнівський гранкар’єр | 1187,0±142,3 | 105,0±12,6 | 3,1±0,4 | 18,5±2,2 | 9,4±1,1 | 6,0±0,7 | 1,1±0,1 | Р | Парк Комсомольський | 363,0±43,6 | 89,0±10,7 | 1,3±0,2 | 22,0±2,6 | 2,8±0,3 | 7,9±1,0 | 0,9±0,1 | Центральна | П-С | Шкіряно-шорний завод | 645,0±77,4 | 143,0±17,2 | 38,8±4,6 | 2,0±0,2 | 31,0±3,7 | 8,7±1,0 | 1,5±0,2 | Міськмолокозавод | 583,0±70,0 | 93,0±11,2 | 3,0±0,4 | 23,0±2,8 | 30,8±3,6 | 7,3±0,9 | 1,1±0,1 | Завод "Кредмаш" | 293,0±35,2 | 121,0±14,5 | 19,0±2,3 | 505,0±6,6 | 42,6±5,2 | 11,7±1,4 | 1,6±0,2 | Р | Парк МЮДа | 180,0±21,6 | 20,2±2,4 | 3,0±0,4 | 17,5±2,0 | 7,2±0,8 | 3,3±0,4 | 1,1±0,1 | Парк Придніпровський | 175,0±21,0 | 51,0±6,1 | 2,0±0,2 | 17,0±2,0 | 3,9±0,5 | 3,7±0,4 | 0,8±0,1 | * Р – рекреаційна підзона; П – промислова підзона; С – селитебна підзона; П-С – промислово-селитебна підзона

Індустрозем Культурозем

Культурозем

Рістозем

Рис. 1. Абсолютний вміст важких металів у ґрунтах м. Кременчука (в %)

Mn: індустроземи (7,0 разів) > культуроземи (5,0 разів) > рістозем (3,5 рази) > урбодернові ґрунти (3,0 рази)

Cu: індустроземи (77,0 разів) > культуроземи (7,0 разів) > рістозем (6,0 разів) > урбодернові ґрунти (4,0 рази)

Zn: індустроземи (42,0 рази) > урбодернові ґрунти (9,0 разів) > рістозем (3,4 рази) > культуроземи (2,0 рази)

Ni: індустроземи (2,0 рази) > урбодернові ґрунти (2,0 рази) > культуроземи (1,5 рази) > рістозем (не перевищує).

Pb: індустроземи (2,0 рази) > культуроземи (2,0 раза) > урбодернові ґрунти > рістозем (0)

Cd: Вміст кадмію в ґрунтах міста не перевищзує фоновий

Розповсюдження важких металів по ґрунтовому профілю. Розподіл ВМ по ґрунтовому профілю нерівномірний внаслідок порушення та перемішування генетичних горизонтів, зміни кислотності ґрунту, загальмування кругообігу елементів, потужного техногенного пресу. Пористість та невисока ємність поглинання створюють сприятливі умови щодо вимивання ВМ до материнської породи, якщо тільки даний елемент не є для неї характерним. У грунтах Західної, Центральної та Південної технозон інтенсивно накопичується залізо (Кспп : 5,5 ... 9,1 ... 12,2), а в грунтах Північної і Центральної - свинець (Кспп : 2,8 ... 5,6).

Вміст рухомих форм важких металів у м. Кременчуці визначали в ґрунтових шурфах кожної технозони (окрім Східної внаслідок засміченості та заляганні бетонних плит на глибині понад 60 см). Установлено, що закономірність розподілу рухомих форм ВМ по ґрунтовому профілю повністю збігається з розміщенням валових форм. За процентним співвідношенням досліджуваних форм важких металів їх можна розподілити на дві групи:

І група елементів: процентний вміст рухомих форм від валових складає в основному більше 40%, до неї належать марганець, мідь, свинець і кадмій (відсоткове співвідношення рухомих і валових форм в 1,5-3 рази перевищує фонові показники).

ІІ група елементів: співвідношення рухомих форм від валових складає в основному, менше 40%, до неї належить залізо, цинк і нікель (співвідношення не перевищує природні показники).

Кореляційні зв’язки важких металів з фізико-хімічними власти-востями ґрунтів та твердими викидами підприємств. На території міста встановлений максимально-тісний кореляційний зв’язок ВМ з фізико-хімічними властивостями ґрунтів. Концентрація кадмію зростає із збільшенням кислотності, зменшенням сухого залишку та фізичної глини. Вміст свинцю зростає із зменшенням показників фізичної глини і ступеня насиченості основами. Якщо ґрунт має високу ємність поглинання, то концентрація заліза і марганцю збільшується, а концентрація міді підвищується із зменшенням показників фізичної глини.

Аналіз залежності накопичення ВМ у ґрунті від якості та обсягу твердих викидів підприємств виявив кореляційні зв’язки з нікелем, марганцем, залізом, свинцем, кадмієм (r=0,5-0,6). Залежність інших елементів не встановлена. При розгляданні окремих технозон, з урахуванням специфіки викидів підприємств, виявлені максимальні коефіцієнти кореляції (r=0,9). У ґрунтах Північної технозони (рН = 6,7-7,0) специфіка викидів сприяє накопиченню кадмію. Ґрунти Східної і Південної технозон мають сприятливі умови для накопичення свинцю, а Центральної – нікелю.

Важкі метали в домінуючих видах деревних рослин. Дослідження розподілу концентрацій Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Pb, Cd у листях основних деревних порід: гіркокаштану звичайного, клену гостролистого, робінії псевдоакації (табл. 2) показали, що максимально Fe, Cu, Pb, Cd накопичується в листях гіркокаштану звичайного, Mn, Zn – у листях клену гостролистого, а Ni – у листях робінії псевдоакації. Концентрація ВМ у листях деревних порід

Таблиця 2

Вміст важких металів у рослинних зразках (мг/кг сухої речовини) (с)

Назва ґрунту | Місце відбору зразків листя | Листя гіркокаштану звичайного | Листя клену гостролистого | Листя робінії псевдоакації | Fe | Mn | Cu | Zn | Ni | Pb | Cd | Fe | Mn | Cu | Zn | Ni | Pb | Cd | Fe | Mn | Cu | Zn | Ni | Pb | Cd | Культуроземи | Парк Комсо-мольський | 81,0±8,91 | 10,5±1,16 | 11,4±1,25 | 18,0±1,98 | 6,0±0,7 | 2,5±0,28 | 0,3±0,04 | 94,5±10,4 | 14,0±1,54 | 7,9±0,88 | 32,0±3,52 | 5,6±0,6 | 1,7±0,19 | 0,3±0,04 | 45,0±4,95 | 17,5±1,93 | 4,6±0,5 | 19,0±2,09 | 4,2±0,5 | 2,5±0,28 | 0,3±0,03 | Парк
МЮДа | 120,0±

13,2 | 10,5±1,16 | 11,4±1,25 | 37,0±4,07 | 3,8±0,4 | 2,5±0,28 | 0,5±0,05 | 141,0±

15,5 | 14,7±1,62 | 6,1±0,67 | 60,0±6,6 | 3,6±0,4 | 1,7±0,19 | 0,4±0,04 | 63,0±6,93 | 5,6±0,62 | 7,9±0,88 | 25,0±2,75 | 4,8±0,5 | 2,5±0,28 | 0,5±0,05 | Парк Воїнів-Інтернаціо-налістів | 91,5±10,1 | 17,5±1,93 | 9,5±1,05 | 15,3±1,68 | 6,0±0,7 | 3,0±0,33 | 0,4±0,04 | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | 34,5±3,8 | 10,6±1,17 | 2,3±0,25 | 8,0±0,88 | 7,5±0,8 | 1,7±0,19 | 0,4±0,04 | Парк ім. І.Ф.Котлова | 46,5±5,12 | 13,3±1,46 | 4,6±0,5 | 14,0±1,54 | 5,2±0,6 | 1,2±0,14 | 0,5±0,06 | 45,0±4,95 | 13,7±1,5 | 7,6±0,84 | 16,0±1,76 | 6,7±0,7 | 2,5±0,28 | 0,3±0,04 | 37,5±4,13 | 14,0±1,54 | 2,7±0,29 | 25,0±2,75 | 7,2±0,8 | 1,0±0,11 | 0,4±0,04 | Парк Придніпров-ський | 46,5±5,12 | 10,5±1,16 | 5,7±0,63 | 15,0±1,65 | 4,3±0,5 | 1,5±0,17 | 0,69±0,08 | 52,5±5,78 | 14,0±1,54 | 7,6±0,84 | 44,0±4,84 | 4,6±0,5 | 1,7±0,19 | 0,3±0,04 | 60,0±6,6 | 18,2±2,0 | 8,7±0,96 | 27,0±2,97 | 5,6±0,6 | 2,0±0,22 | 0,4±0,04 | Індустроземи | Сталеливар-ний з-д | 90,0±9,9 | 21,0±2,31 | 5,3±0,59 | 16,5±1,82 | 8,3±0,9 | 3,0±0,33 | 0,6±0,06 | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | 52,5±5,78 | 18,9±2,08 | 4,6±0,5 | 13,0±1,43 | 9,1±1,0 | 2,2±0,25 | 0,4±0,05 | З-д “Кредмаш” | 192,0

±21,1 | 14,0±1,54 | 4,9±0,54 | 23,0±2,53 | 6,2±0,7 | 3,2±0,36 | 0,6±0,06 | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | Укртатнаф-та | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | 45,0±4,95 | 21,0±2,31 | 6,1±0,67 | 17,0±1,87 | 4,8±0,5 | 0,7±0,08 | 0,4±0,04 | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | Заводи КрАЗ, Коліс | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | ____ | 57,0±6,27 | 21,0±2,31 | 6,1±0,67 | 19,0±2,09 | 6,7±0,7 | 2,5±0,28 | 0,4±0,05 | 52,5±5,78 | 14,0±1,54 | 11,8±1,3 | 17,0±1,87 | 8,7±1,0 | 2,0±0,22 | 0,4±0,05 |

відповідає їх вмісту в ґрунтах, а також пов’язана із специфікою виробництва промислових підприємств, розташованих поблизу зростання деревних культур. Вміст ВМ у листях деревних порід промислових і промислово-селитебних підзон у 2-4 рази більший, ніж у рекреаційних. Гіркокаштан звичайний характеризується високим КБП і має велику здатність до акумуляції металів; низький коефіцієнт біологічного поглинання робінії псевдоакації відносить її до групи порід, що погано засвоюють елементи ґрунту. У підстилці та опаді штучних біогеоценозів визначався вміст Fe, Mn, Cu, Zn, Ni, Pb, Cd. На культуроземах рекреаційних підзон в опаді нагромаджується найбільше марганцю (56,0 мг/кг), у підстилці – міді (19,0 мг/кг), цинку (110,0 мг/кг), кадмію (1,6 мг/кг); на індустроземах промислових і промислово-селитебних підзон в опаді максимально - заліза (262,0 мг/кг), цинку (100,0 мг/кг), нікелю (8,5 мг/кг), міді (9,5 мг/кг), кадмію (1,2 мг/кг), у підстилці - заліза (420,0 мг/кг), марганцю (87,5 мг/кг). На урбодернових ґрунтах промислово-селитебних підзон в опаді спостерігається максимальне накопичення свинцю – 7,5 мг/кг, а в підстилці нікелю – 10,2 мг/кг і свинцю – 25,0 мг/кг.

Кількісні показники міграції важких металів
У підсистемі “ґрунт-рослина” в умовах м. Кременчука

У роботі визначались основні показники міграції ВМ у підсистемі “ґрунт-рослина” лісових культурбіогеоценозів: опадо-підстилковий коефіцієнт, загальна ємність кругообігу речовин і елементів, об’єм циклу. Біологічний кругообіг речовин всіх досліджуваних культурбіогеоценозів інтенсивний (індекс 0,5-1,3). Кругообіг елементів Fe, Mn, Cu, Zn загальмований по всій території міста, лише в межах Західної технозони кругообіг важких металів збігається з кругообігом речовин. У Північній технозоні спостерігається загальмований кругообіг заліза і міді в насадженнях на всіх грунтах, марганцю, цинку, нікелю, свинцю, кадмію – на культуроземах. У Південній технозоні загальмований кругообіг марганцю на всіх грунтах, заліза – у насадженнях на культуроземах. У Східній технозоні загальмований кругообіг марганцю по всій території зони, заліза, міді, нікелю – у насадженнях на урбодернових грунтах. У Центральній технозоні загальмований кругообіг заліза і марганцю по всій території, цинку, міді, нікелю і кадмію – у насадженнях на культуроземах.

Екологічна Оцінка впливу важких металів

на Підсистему “Ґрунт–Рослина”

Техногенні потоки важких металів, включаючись у природні цикли біогеохімічної міграції, утворюють поліелементні геохімічні аномалії компонентів навколишнього середовища, у першу чергу ґрунтів. Тому їх характеристика повинна ґрунтуватись на геохімічних показниках, які оцінюють розподіл суми елементів, що беруть участь у забрудненні, з виділенням ступеня участі кожного окремого металу в загальному забрудненні.

Ступінь стійкості ґрунтів до забруднення та формування геохімічних аномалій. Розрахунки ступеня стійкості ґрунтів до забруднення показали, що

ґрунти рекреаційних підзон на порядок стійкіші, ніж грунти промислово-селитебних, але при потужному техногенному тиску спостерігається формування геохімічних аномалій навіть і в зонах відпочинку.

У ґрунтах м. Кременчука виявлені наступні геохімічні аномалії:

- у Центральній технозоні: залізо-марганцево-свинцева (СПК=74,73), залізо-мідна (СПК=21,29), мідно-залізо-свинцева (СПК=75,74), залізо-мідно-свинцева (СПК=66,89).

- у Східній: залізо-мідно-марганцева (СПК=123,34), залізо-мідно-свинцева (СПК=27,31), залізо-мідна (СПК=51,25), залізо-свинцево-марганцева (СПК=46,29), свинцево-залізо-мідна (СПК=38,53).

- у Південній: залізо-цинково-мідна (СПК=46,29), свинцево-залізо-мідна (СПК=38,53).

- у Північній: залізо-мідно-марганцева (СПК=150,74) та залізо-мідно-марганцева (СПК=139,86); залізо-мідно-свинцева (190,78), мідно- марганцева (15,6).

- у Західній: залізо-мідна (СПК=118,35).

Ступінь забруднення рослин та грунтів. На території міста виявлено три класи забруднення основних видів деревних порід: сильне, середнє, слабке і п’ять зон забруднення грунтів: максимального, дуже сильного, сильного, середнього, слабкого, згідно з прийнятою шкалою СПК ВМ для рослин і ґрунтового покриву і складено картосхему: “Ступінь забруднення вижкими металами деревних порід та ґрунтового покриву території м. Кременчука” (рис. ).

Утворення осередків небезпечності ВМ у грунті призводить до накопичення їх у рослинах. Розраховано СПК елементів у деревних породах і з’ясовано, що найбільше сумарне забруднення гіркокаштану звичайного (СПК = 9,16) і клену гостролистого (СПК = 8,25) відзначено на території парку МЮДа (Центральна технозона), робінії псевдоакації (СПК = 9,02) - на території Малокохнівського гранкар’єру (Східна технозона).

Таким чином, формування ґрунтових поліелементних аномалій призводить до накопичення ВМ у рослинах, особливо якщо фізико-хімічні властивості ґрунтів сприяють переходу елементів у доступну для рослин форму. Як показали результати дослідження, листя вищезазначених деревних порід мають високу здатність до акумуляції ВМ у поєднанні з високою декоративністю, що дає змогу рекомендувати їх на провідне місце серед рослин, що активно сприяють стабілізації техногенного довкілля в умовах потужного техногенного тиску.

Потрібно зазначити, що одним із способів розв’язання екологічної стабілізації території, що зазнає впливу від промислових викидів, є впровадження окремих, але гармонійно поєднаних між собою та іншим оточенням мікроугруповань – різноманітних деревних порід за участю газонного покриву, що вирішить екологічну проблему довкілля, а також дасть можливість розширити біологічну різноманітність культурних рослин у місті.

Північна технозона

Західна технозона

Центральна

технозона

Східна технозона

Південна технозона

Умовнi позначення:

Зони забруднення ґрунтів

Максимальне забруднення (СПК > 128)

Дуже сильне забруднення (СПК: 128 – 64)

Сильне забруднення (СПК: 64 – 32)

Середнє забруднення (СПК: 32 – 16)

Слабке забруднення (СПК: 16 – 8)

Мінімальне забруднення (СПК<2) | Забруднення деревних порід

Максимальне забруднення (СПК > 32)

Дуже сильне забруднення (СПК 16-32)

Сильне забруднення (СПК 8-16)

Середнє забруднення (СПК 4-8)

Слабке забруднення (СПК 2-4)

Мінімальне забруднення (СПК < 2) |

Гіркокаштан звичайний; Клен гостролистий; Робінія псевдоакація.

Рис. 2. Ступінь забруднення важкими металами деревних порід та ґрунтового покриву території м. Кременчука

ВИСНОВКИ

1. Комплексно і всебічно здійснена оцінка зміни фізико-хімічних властивостей ґрунтів під впливом викидів, з’ясована інтенсивність міграції речовин та важких металів в умовах індустріального міста, виявлені геохімічні аномалії розповсюдження ВМ у ґрунтах та ступінь забруднення домінуючих видів деревних рослин.

2. Територія міста поділена на п’ять технозон: Північну, Південну, Центральну, Східну, Західну, у межах яких відокремлені селитебна, промислова (промислово-селитебна) та рекреаційна підзони в залежності від забруднення атмосфери міста викидами підприємств. Забудова міста належить до кластерного типу.

3. Природний ґрунтовий покрив на більшій частині м. Кременчука знищено або він зазнає значних перетворень: збільшується кількість антропогенних включень, перемішуються та переущільнюються шари ґрунту, змінюються фізико-хімічні властивості ґрунтів: рН знаходиться в межах від 8,4 до 6,7; вміст гумусу в 1,5 – 7 разів нижчий у промислово-селитебних підзонах, ніж у рекреаційних; ємність поглинання зменшується, а поглинутий водень збільшується до 9,6 %.

4. На досліджуваній території м. Кременчука сформувались антропогенно-змінені ґрунти: індустроземи (ґрунти промислово-селитебних підзон), культуроземи (ґрунти парків), урбодернові ґрунти (на природних дернових), рістоземи (ґрунти газонів).

5. Аеротехногенне перенесення викидів підприємств міста (у тому числі важких металів) в окремі компоненти штучних насаджень (грунт та рослини) зумовлює максимальне накопичення елементів у ґрунтах територій заводів Укртатнафта, Технічного вуглецю Північної технозони; у листях рослин: гіркокаштану звичайного (Aesculus hippocastanum L.), клену гостролистого (Acer platanoides L.) у парку МЮДа, робінії псевдоакації (Robinia pseudoacacia L.) у Центральній і Східній технозоні.

6. Основні фізико-хімічні властивості ґрунтів території м. Кременчука зумовлюють високу рухливість важких металів. Частка їх рухомих форм від валових становить до 50 % у верхніх горизонтах грунтів.

7. Виявлені екологічні особливості поглинання ВМ основними деревними породами міста (гіркокаштаном звичайним, кленом гостролистим, робінією псевдоакацією):

- гіркокаштан звичайний поглинає широкий спектр важких металів: Fe, Mn, Zn, Cu, Pb, характеризується високим КБП і меншою вимогливістю до середовища зростання; відносно низький коефіцієнт поглинання робінії псевдоакації дозволяє віднести її до групи порід (серед досліджуваних), які погано засвоюють елементи ґрунту;

- в умовно чистому фоновому культурбіогеоценозі видові відмінності виявилися у більш інтенсивному накопиченні (КБП= 1,13...1,03) Fe, Pb - гіркокаштаном, Cu, Zn – робінією псевдоакацією, Mn, Ni – кленом;

- в умовах рекреаційного навантаження Mn, Ni у найбільшій мірі акумулюються гіркокаштаном та робінією; Cu, Fe – гіркокаштаном;

- в умовах аерогенного впливу великих промислових підприємств індивідуальні риси рослин проявились відносно рівномірним накопиченням Mn, Ni, Fe усіма досліджуваними рослинами.

8. Нагромадження ВМ у ґрунті залежить від фізико-хімічних властивостей ґрунту та обсягу викидів підприємств; отримані математичні рівняння кореляційної залежності важких металів від вказаних показників. На більшій частині територій міста формується особливий підтип урбогрунту – індустрозем. При збільшенні обсягу викидів грунт перетворюється на додаткове джерело забруднення середовища.

9. Ґрунтовий покрив м. Кременчука характеризується низькою буферною здатністю (ССГ – 15-24); на території міста переважають піщані та легкосуглинкові ґрунти, тому можливість зв’язування ВМ з мулистою фракцією ґрунтів обмежена.

10. В усіх досліджуваних культурбіогеоценозах біологічний кругообіг речовин інтенсивний; майже на всіх територіях спостерігається загальмований кругообіг Fe, Mn, Zn, Cu. У межах Західної технозони кругообіг важких металів збігається з кругообігом речовин внаслідок особливого формування світлової структури рослинного покриву.

11. Внаслідок тривалого функціонування промислових підприємств на території міста сформувались геохімічні аномалії: залізо-мідно-марганцева в Північній(СПК= 139,86) і Східній (СПК= 123,34) технозонах; залізо-мідна (СПК= 118,35) та цинково-свинцева (СПК= 14,8) у Західній технозоні; залізо-мідно-свинцева (СПК= 27,31) у Східній технозоні; залізо-марганцево-свинцева (СПК= 74,73) та мідно-залізо-свинцева (СПК= 75,74) у Центральній технозоні тощо. Аномалії зумовлені техногенною концентрацією Fe, Mn, Zn, Cu, Pb у ґрунтах у величинах, що перевищують фонові значення в 3-12 разів.

12. Проведена оцінка екологічної ситуації територій міста; складена картосхема забруднення важкими металами