CC BY
19
ОЦЕНКА НАКОПЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ДРЕВЕСНЫМИ ИНТРОДУЦЕНТАМИ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ УРБОСРЕДЫ КОЛЬСКОГО СЕВЕРА
УДК 504.5:669.018.674(470.21)
Н.В. Салтан, О.Б. Гонтарь, Е.А. Святковская, Е.П. Шлапак Полярно-альпийский ботанический сад-институт КНЦ РАН, saltan.natalya@mail.ru
оценка накопления тяжелых металлов древесными интродуцентами в различных условиях урбосреды кольского севера
Установлено, что в городских условиях Кольского Севера аккумуляторами тяжелых металлов являются Larix siЫrica и Syrmga josikaea. Показано, что динамика содержания металлов индивидуальна для каждого вида растений, произрастающих в различных условиях урбосреды.
Ключевые слова: тяжелые металлы; ассимилирующие органы; древесные интродуценты; загрязнение; урбанизированные территории.
Введение
Городские древесные насаждения служат одним из основных объектов экологического мониторинга, поскольку имеют огромное влияние на создание благоприятной среды для жизни и здоровья человека в городе (Кулагин, 1974; Авдеева, 2008; Морозов и др., 2009; Бухарина и др., 2012). Промышленное загрязнение воздуха, воды и почв в разной степени воздействует на состояние растительности. Реагируя на условия произрастания, растения могут служить индикаторами состояния окружающей среды и основным фактором экологической стабилизации в городах (Бухарина и др., 2007). К экстремальным факторам, способным вызвать повреждения растительных организмов, следует отнести загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ).
Экологическое состояние окружающей среды городов Кольского Севера складывается из деятельности градообразующих промышленных предприятий и загрязнения среды автотранспортом. Улучшение микроклимата техногенных зон немыслимо без комплексной организации системы зеленых насаждений, которые являются неотъемлемым элементом урбанизированной среды.
Важным моментом в улучшении зеленого наряда городов Заполярья является введение в посадки древесных интродуцентов, многие из которых более приспособлены к городской среде, чем аборигенные растения, хорошо размножаются в культуре и быстро достигают декоративного эффекта (Гонтарь и др., 2010).
Целью данной работы являются анализ накопления содержания основных металлов-загрязнителей (№ и Си) и оценка степени их варьирования в листьях наиболее распространенных интроду-цированных древесных растений, произрастающих на различных объектах озеленения (улицы и скверы) промышленных городов Кольского За-
полярья в двухлетнем цикле наблюдений. Одной из задач было определить наличие зависимости состояния городских растений от содержания ТМ в их листьях.
Результаты исследований могут служить теоретической основой для разработки устойчивого озеленительного ассортимента деревьев и кустарников, новых технологий выращивания и приемов формирования насаждений, которые направлены на создание комфортных условий для жителей заполярных городов.
Материалы и методы
Для проведения работ было выбрано два города Мурманской области (Мурманск и Мончегорск), подверженных разной техногенной нагрузке.
На экологическую обстановку в Мурманске оказывают влияние крупные промышленные предприятия (Мурманский морской торговый порт, ОАО «Мурманская ТЭЦ», ГОУТП «ТЭКОС» и др.) и развитый автотранспорт, благодаря которым создаются повышенные концентрации формальдегида, оксидов азота, бенз(а)пирена и ТМ в атмосферном воздухе (Доклад ..., 2014).
Преобладающая доля существующего загрязнения в Мончегорске принадлежит одному из крупнейших предприятий цветной металлургии -комбинату «Североникель» ОАО «ГМК "Норильский никель"». Компонентами выбросов данного предприятия являются диоксид серы, окислы азота, хлор, пары кислот и тяжелые металлы, приоритетные из которых № и Си.
В обследованных городах выделены опытные площадки на объектах озеленения общегородского пользования: скверы - 4 площадки (сквер в южном микрорайоне в Мончегорске - 2, сквер на площади «Пять углов» в Мурманске - 2); улицы - 7 площадок (в Мончегорске: ул. Комсомольская - 2, пр. Металлургов - 2; в Мурманске: пр. Ленина - 3).
российский журнал приютной экологии
экологическая безопасность
Объектами исследования послужили наиболее распространенные дендроинтродуценты: Larix sibirica Ledeb., Syringa josikaea Jacq. fil., Rosa rugosa Thunb, Spiraea media Franz Schmidt, Spiraea salicifolia L. В конце вегетационного периода 2013 и 2014 гг. был произведен отбор листьев вышеуказанных видов растений. содержание металлов (Ni, Cu) проанализировано в аккредитованной лаборатории ОАО «кольский геологический информационно-лабораторный центр» атомно-абсорбционным методом после разложения образцов концентрированной азотной кислотой. состояние растений на опытных площадках определено по методике в.с. николаевского и Х.Г. Якубова (2008). Для оценки тесноты связи между параметрами использовали коэффициент корреляции Пирсона (r).
результаты и их обсуждение
характеристика состояния дендроинтродуцен-тов. Обследование зеленых насаждений в вышеуказанных городах показало, что среди исследуемых дендроинтродуцентов выделены все категории состояния. В г. Мурманске наиболее высокий процент (от 75% до 87%) здоровых растений (первая категория) отмечен в сквере на площади «пять углов» у Spiraea media, Spiraea salicifolia и Rosa rugosa. В то же время в Мончегорске (сквер в Южном микрорайоне) данный показатель у вышеперечисленных видов в 3-5 раз ниже. Разные значения по количеству здоровых растений (35 % в Мончегорске, 1% в Мурманске) получены для Syringa josikaea, на состояние которой в Мурманске сказывается старовозрастность посадок и отсутствие ухода. Для Larix sibirica данные по наличию экземпляров без признаков ослабления в скверах обоих городов почти одинаковы (рис. 1).
В уличных насаждениях в г. Мурманск процент растений первой категории самый низкий у Larix sibirica (1%), высокий (84%) - у Spiraea media, в Мончегорске этот показатель варьирует от 9% (Spiraea salicifolia) до 50% (Larix sibirica). Большое количество ослабленных растений Larix sibirica в Мурманске является результатом ста-ровозрастности насаждений (свыше 90 лет) и отсутствия регулярного ухода за посадками.
Таким образом, у трех видов (Rosa rugosa, Spiraea media, Spiraea salicifolia) состояние, как в скверах, так и на улицах, лучше в г. Мурманске, чем в г. Мончегорске. самое неблагополучное положение в Мурманске характерно для насаждений Larix sibirica и Syringa josikaea. В Мончегорске, напротив, эти два вида имеют более стабильное состояние, наиболее неблагополучны здесь Rosa rugosa и Spiraea salicifolia.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Скверы
□ Мончегорск □ Мурманск
Larix Syringa Rosa rugosa Spiraea sibirica josikaea media
Spiraea salicifolia
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Улицы
□ Мончегорск
□ Мурманск
г
Larix Syringa Rosa rugosa Spiraea Spiraea sibirica josikaea media salicifolia
Рис. 1. Количество первой категории состояния древесных интродуцентов в зависимости от типа объекта озеленения общегородского пользования (%)
Состояние растений в значительной степени определяется условиями произрастания, основным из которых является питательный статус почв. Агрохимический анализ городских почв показал, что в доступных для растений формах азот находится на низком уровне обеспеченности, фосфор и калий - на достаточном. Для городских почв был выявлен высокий уровень их загрязнения ТМ в г. Мончегорске (№ -118-173 мг/кг, Си - 83-263 мг/кг) и относительно низкий - в Мурманске (№ - 26-30 мг/кг, Си - 38-43 мг/кг).
Сравнительный анализ содержания ТМ в листьях древесных интродуцентов в обследуемых городах на опытных площадках продемонстрировал значительные отличия. Наиболее общие проявления токсического действия ТМ на растения заключаются в ингибировании фотосинтеза, нарушении транспорта ассимилятов и минерального питания, изменении водного и гормонального статусов организма и торможение роста.
Токсичность № для растений проявляется в подавлении процессов фотосинтеза и транс-пирации, появлении признаков хлороза листьев (Иванов, 1996).
ОЦЕНКА НАКОПЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ДРЕВЕСНЫМИ ИНТРОДУЦЕНТАМИ В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ УРБОСРЕДЫ КОЛЬСКОГО СЕВЕРА
Изучение динамики содержания Ni в листьях растений в Мончегорске продемонстрировало разброс значений в зависимости от объекта озеленения и вида растения (рис. 2). В условиях улиц наиболее высокие показатели по Ni характерны для листьев Larix sibirica, Spiraea media и Rosa rugosa, наиболее низкие - Spiraea salicifolia. В скверах максимальные значения отмечены в листьях Syringa josikaea, минимальные - также у Spiraea salicifolia.
Результаты наблюдений показали, что динамика содержания Ni в листьях каждого вида растения была различной для улиц и скверов (рис. 2). Так, в листьях Syringa josikaea, произрастающей в сквере, максимум содержания Ni выявлен в 2013 году, минимум - в 2014, для улиц данный показатель был обратным.
В динамике распределения содержания Ni по годам между растениями было обнаружено некоторое сходство для отдельных видов. Так, у Syringa josikaea, Rosa rugosa и Spiraea salicifolia, произрастающих в сквере, динамика была однонаправленной (снижение в 2014 г. относительно 2013 г.), у Larix sibirica и Spiraea media - индивидуальной. В условиях улиц отмечен рост содержания Ni в листьях у большинства исследуемых видов растений, кроме Rosa rugosa.
Сравнение величины варьирования содержания Ni (отношение максимального содержания металла к минимальному) показало, что более всего этот показатель изменяется в листьях растений, произрастающих на улицах (табл. 1). В скверах, где антропогенная нагрузка ниже, варьирование меньше. Следует отметить, что наибольшая величина варьирования выявлена у Syringa josikaea.
Проведенный корреляционный анализ зависимости состояния древесных интродуцентов на объектах озеленения от содержания в их листьях Ni продемонстрировал наличие слабой связи между этими показателями (г =0.36-0.38).
В Мурманске содержание Ni в листьях растений существенно ниже, чем в Мончегорске, поскольку город значительно удален от комбинатов цветной металлургии (рис. 2). В сквере Мурманска высокое накопление Ni отмечено в листьях Syringa josikaea, низкое - у Rosa rugosa. На пр. Ленина максимальное содержание Ni характерно для листьев Larix sibirica и Syringa josikaea.
Данные двухлетней динамики продемонстрировали рост содержания Ni в листьях Larix sibirica и Syringa josikaea, как в скверах, так и на улицах. для остальных видов выявлено снижение данного параметра, при этом у Rosa rugosa очень значительное.
Сравнительный анализ величины варьирования показал, что максимальное ее значение обнаружено в листьях Rosa rugosa, особенно в условиях сквера (табл. 1). Здесь следует отметить, что состояние Rosa rugosa в сквере без признаков ослабления у 87% насаждений, и такой высокий показатель может быть обусловлен интенсивными ростовыми процессами.
На всех объектах озеленения между состоянием растений и содержанием Ni была выявлена тесная положительная корреляционная связь (г=0.71-0.92).
Таким образом, содержание Ni в листьях древесных интродуцентов Мончегорска значительно превышает аналогичное в Мурманске. В Мончегорске распределение содержания Ni по годам, в зависимости от объекта озеленения,
Таблица 1. Варьирование содержания металлов в листьях городских интродуцентов
за период наблюдений 2013-2014 гг.
Вид растения Участок Мончегорск Мурманск
Ni Cu Ni Cu
Larix sibirica сквер 1.5 1.0 1.6 3.0
улица 1.3 1.6 1.3 1.2
Syringa josikaea сквер 1.4 1.0 1.5 1.1
улица 3.1 1.2 1.3 1.6
Rosa rugosa сквер 1.2 2.2 19.8 1.1
улица 1.6 2.6 5.2 1.8
Spiraea media сквер 1.1 1.0 1.5 1.1
улица 2.7 1.0 - -
Spiraea salicifolia сквер 1.3 3.1 1.7 1.0
улица 1.6 1.6 - -
Примечание: жирным шрифтом выделено максимальное значение
38
российский журил прикин нии
100
90
70
S 60
£ 50
40
и 30
20
10
0
Мончегорск (сквер)
□ 2013
□ 2014
Larix Syringa Rosa Spiraea Spiraea sibirica josikaea rugosa media salicifolia
100
90
70
Ö 60
- я 50
40
и 30
20
10
0
Мончегорск (улица)
□ 2013
□ 2014
Larix Syringa Rosa Spiraea Spiraea sibirica josikaea rugosa media salicifolia
30
25
- 20
- § 15
10
и
5
0
Мурманск (сквер)
Larix sibirica
Syringa josikaea
Rosa rugosa
□ 2013
□ 2014
Spiraea media
Spiraea salicifolia
Мурманск (улица)
30 25 20 -15 -10 5 -0
□ 2013
□ 2014
Larix sibirica
Syringa josikaea
Rosa rugosa
Spiraea salicifolia
мг/кг) в ассимилирующих органах ленения гг. Мончегорск и Мурманск
носило индивидуальный характер. Можно отметить, что для большинства растений, произрастающих на улицах, отмечен рост содержания Ni в 2014 г. Поскольку для растений в сквере такой тенденции не выявлено, можно предположить о действии внутренних механизмов регуляции поступления металлов. В Мурманске рост содержания Ni в 2014 г. отмечен у Syringa josikaea и Larix sibirica, в листьях остальных растений, напротив, произошло снижение.
Медь в избыточных концентрациях — сильнейший токсикант, под ее действием нарушаются основные физиологические функции растительной клетки: фотосинтетические процессы, дыхательный метаболизм, осмотический и ионный гомеос-таз (Демидчик, 2001).
в естественных ненарушенных природных условиях в растениях соотношение Ni/Cu <1, поскольку Cu является важным микроэлементом для жизнедеятельности растительного организма и ее содержание всегда выше, чем Ni. В условиях высокого уровня техногенного загрязнения данное соотношение изменяется. В г. Мончегорске содержание Cu в листьях растений гораздо ниже, чем Ni. Если рассматривать по объектам, то содержание Cu в листьях растений на улицах выше, чем в скверах (рис. 3). Наиболее высокие значения данного показателя отмечены у Larix sibirica, наименее - у Syringa josikaea. В скверах нельзя четко выделить виды с максимальными и минимальными содержаниями.
Характер распределения содержания Cu для
каждого вида растений был индивидуальным, только для Spiraea media и Spiraea salicifolia, произрастающих в условиях улиц, можно отметить однонаправленность динамики, что можно объяснить принадлежностью к одному роду. Величина варьирования содержания Cu изменялась от 1.0 до 3.1, при этом максимальное ее значение выявлено у Spiraea salicifolia.
Корреляционный анализ зависимости состояния древесных интродуцентов от содержания в их листьях Cu выявил отсутствие связи между этими показателями (г варьировал от -0.04 до 0.22).
Для растений г. Мурманска показано, что природное соотношение Ni/Cu <1 сохранено, что может свидетельствовать о слабой загрязненности Cu окружающей среды города. Здесь, аналогично Мончегорску, наиболее высокие значения содержания Cu в листьях древесных интродуцентов приурочены к уличным посадкам.
В скверах содержание Cu у большинства растений изменяется слабо, только в хвое Larix sibirica выявлен рост. Для улиц показано снижение этого параметра. Следует отметить, что более высокое содержание отмечено в ассимилирующих органах Larix sibirica и Syringa josikaea, как в сквере, так и на улице. Величина варьирования Cu ниже, чем Ni, за исключением Larix sibirica, для которой также выявлено максимальное значение этого показателя (табл. 1).
Анализ зависимости состояния древесных ин-
ОЦЕНКА НАКОПЛЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ДРЕВЕСНЫМИ ИНТРОДУЦЕНТАМИ В РАЗЛИчНЫХ УСЛОВИЯХ УРБОСРЕДЫ КОЛьСКОгО СЕВЕРА
тродуцентов от содержания в их листьях Cu показал наличие слабой связи (г=0,55-0,58) между двумя параметрами для скверов и тесной (0.910.94) - для улиц.
Таким образом, содержание Cu в листьях городских древесных насаждений г. Мончегорска выше, чем в Мурманске, но в значительно меньшей степени, чем Ni.
По характеру распределения содержания Cu не выявлено однонаправленности изменений, как среди растений на одном объекте озеленения города, так и на разных объектах озеленения у одного вида растения. Исключение могут составить Spiraea media и Spiraea salicifolia, поскольку они принадлежат одному роду. Можно отметить, что для большинства растений отмечается уменьшение содержания Cu относительно 2013 года.
заключение
Обследование ассимилирующих органов древесной растительности, произрастающей на разных объектах озеленения в двух заполярных городах, показало, что наиболее загрязнены тМ растения в Мончегорске.
Выявлено, что листья древесных интроду-центов, произрастающих на разделительных полосах, загрязнены Ni и Cu преимущественно в большей степени, чем в скверах. вероятным объяснением может послужить более высокая запыленность воздуха вдоль дорог от автотранспорта, вследствие чего пыль оседает на листьях
растений в больших количествах. Содержания Ni и Cu в пыли могут достигать высоких значений (Кашулина, Салтан, 2008).
Показано, что наиболее высокие содержания ТМ характерны для листьев Syringa josikaea и Larix sibirica. Таким образом, эти два вида растений являются аккумуляторами данных металлов-загрязнителей в условиях Крайнего Севера.
Динамика содержания Ni и Cu в листьях растений в большинстве случаев носила разнонаправленный характер и зависела от каждого вида растения в конкретных условиях выделенной внутри города зоны произрастания (скверы и улицы). Данный факт свидетельствует о наличии у растений механизмов регуляции поступления металлов-загрязнителей из окружающей среды.
Установлено, что среди исследованных растений содержание Ni и Cu наиболее варьирует в листьях Rosa rugosa, Syringa josikaea и Spiraea salicifolia, при этом большая величина варьирования характерна для Ni.
Отмечено, что состояние растений при высоком уровне загрязнения окружающей среды (г. Мончегорск) слабо зависело от содержания в их листьях ТМ (при определенных концентрациях). Вероятнее всего, естественные природные факторы могут более значительно подавлять физиологическую активность растительного организма по сравнению с действием ТМ.
100
90
70
s R0
= 50
s 40
и 30
20
10
0
□ 2013 □ 2014
- г—1 -
H
Larix Syringa Rosa Spiraea Spiraea sibirica josikaea rugosa media salicifolia
100 90 80 70 60 50
Мончегорск (улица)
= 40
и 30 20 10 0
□ 2013
□ 2014
Larix Syringa Rosa Spiraea Spiraea sibirica josikaea rugosa media salicifolia
30
25
- ?o
¡g 1b
S 10
О
Larix sibirica
Мурманск (сквер)
Syringa josikaea
Rosa rugosa
□ 2013
□ 2014
Spiraea media
30
25
u 20
- s 15
= 10
и
Spiraea salicifolia
Мурманск (улица)
□ 2013
□ 2014
Larix sibirica
Syringa josikaea
Rosa rugosa
Spiraea salicifolia
Рис. 3. Динамика содержания Си (мг/кг) в ассимилирующих органах древесных растений на объектах озеленения гг. Мончегорск и Мурманск
список литературы
1. Авдеева Е.В. Зеленые насаждения в мониторинге окружающей среды крупного промышленного города (на примере г. Красноярска): Автореф. дис. ... докт. с.-х. наук. Красноярск, 2008. 32 с.
2. Бухарина И.Л., Поварницына Т.М., Ведерников К.Е. Эколого-биологические особенности древесных растений в урбанизированной среде. Ижевск: ОГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2007. 216 с.
3. Бухарина И.Л., Журавлева А.Н., Большова О.Г. Городские насаждения: экологический аспект. Ижевск: Изд-во «Удмуртский университет», 2012. 206 с.
4. Гонтарь О.Б., Жиров В.К., Казаков Л.А., Святковская Е.А., Тростенюк H.H. Зеленое строительство в городах Мурманской области. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2010. 224 с.
5. Демидчик В.В., Соколик А.И., Юрин В.М. Токсичность избытка меди и толерантность к нему растений // Успехи современной биологии. 2001.Т. 121. № 5. С. 511-525.
6. доклад о состоянии и об охране окружающей среды Мурманской области в 2013 году. Нижний Новгород, 2014. 152 с.
7. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов / Справочник в шести книгах. - кн. 4. Главные d-элементы. М: «Экология», 1996. 409 с.
8. Кашулина Г.М., Салтан Н.В. Химический состав рас-
тений в экстремальных условиях локальной зоны комбината «Североникель». Апатиты, КНЦ РАН, 2008. 239 с.
9. Кулагин Ю.З. Древесные растения и промышленная среда. М.: Наука, 1974. 124 с.
10. Морозова Г.Ю. Мониторинг урбанизированной среды: структура популяций растений // Известия Самарского научного центра РАН. 2009. Т. 11, №1(6). С. 1170-1173.
11. Николаевкий В.С., Якубов Х.Г. Экологический мониторинг зеленых насаждений в крупном городе. М.: Наука, 2008. 67 с.
N.V.Saltan, O.B.Gontar, E.A.Svyatkovskaya, E.P.Shlapak. Assessment of heavy metals accumulation by wood introducents in various conditions of the Kola North (Peninsula) urban environment.
It was found that the Larix sibirica and Syringa josikaea are accumulators of heavy metals in urban areas of the Kola North. It is shown that the dynamics of the heavy metals content is specific to each species of plants growing in different urban areas conditions.
Keywords: heavy metals; assimilating organs; wood introducents; pollution; urban areas.
