Химический состав почв и растений санитарной зоны родников реки Подборенки города Ижевска Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

БИОЛОГИЯ 2006. №10

УДК 631.41 (045)

Н.Г. Рылова, М. Ф. Кузнецов, В.В. Плавинская

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОЧВ И РАСТЕНИЙ САНИТАРНОЙ ЗОНЫ РОДНИКОВ РЕКИ ПОДБОРЕНКИ ГОРОДА ИЖЕВСКА

Рассмотрены агрохимические характеристики, содержание хлоридов, нитратов, сульфатов в почвах первого пояса зоны санитарной охраны 8 родников по р.Подборенке, расположенной в черте г. Ижевска. В исследуемых почвах, а также в листьях Acer negundo определено содержание Zn, Cu, Fe и Mn. Выявлено значительное изменение почв по сравнению с естественными, четко прослеживается влияние аэрогенных выбросов города на химический состав почв и растений.

Ключевые слова: почвы санитарной зоны родников, химическая трансформация, загрязнение почв, тяжёлые металлы.

Территория г. Ижевска богата подземными водами - в черте города описано более 60 родников [1]. Вода подземных источников используется населением как питьевая, поэтому родники в городе активно эксплуатируются. Для предотвращения микробного и химического загрязнения родниковых вод выделяется трехпоясная зона санитарной охраны (ЗСО), границы которой определяются гидродинамическими расчетами. Особенно важно исследовать данную территорию в связи с расположением источников в границах города, так как антропогенный прессинг на естественные компоненты в условиях ур-баноэкосистемы очень велик. Первый пояс ЗСО является поясом строгого режима, его назначение - устранение возможности случайного загрязнения подземных вод непосредственно через водозаборные сооружения. Исследования химического состава почв и растений I пояса ЗСО позволяют выявить нарушения в эксплуатации источников, наметить мероприятия по их устранению, а также информировать население о потенциальной опасности.

Материал и методика исследований

Изучение родников р. Подборенки проводилось в 2003-2004 гг. Исследованы почвенные и растительные образцы в пределах I пояса ЗСО 8 родников (табл. 1).

Для исследования были отобраны смешанные пробы: почвенные (40 образцов) и растительные (листья Acer negundo; 33 образца). В почве по стандартным методикам определены обменная кислотность (рНКа), гидролитическая кислотность (Нг), сумма поглощенных оснований (S), содержание органического вещества (Сорг), подвижного фосфора (Р2О5) и калия (К2О) [2], а также содержание ряда анионов: хлоридов, нитратов, сульфатов [3]. Определение Zn, Cu, Fe и Mn в почвах и растениях проводилось атомноабсорбционным методом в вытяжке 1н. НС1 [2].

Математическая обработка проводилась стандартными методами вариационной статистики с использованием программ Excel и Statistica.

2006. №10

Таблица 1

Исследованные родники

№ п/п* № по [1] Расположение родников

1 - Ул. 50 лет ВЛКСМ, в 15 м восточнее от русла р. Подборенки, в основании левого коренного склона речной долины

2 57 Территория автогаражного кооператива «Октябрь», в основании левого коренного склона долины реки

3, 4 55 К северо-востоку от пешеходного моста через реку, в створе ул. 5-й Подлесной, в основании левого склона долины реки

5 59 Вблизи дома №1 по ул. 4-й Подлесной, подошва правого склона долины реки

6 56 В створе ул. 2-й Подлесной, в основании правого склона долины реки

7 48 Вблизи дома №47 по ул. Родниковой и пешеходного моста через реку, в основании левого коренного склона ее долины

8 46 В 250 м западнее кинотеатра «Удмуртия», в основании левого коренного склона реки

Примечание. * - нумерация совпадает с порядком расположения родников

при движении вниз по течению р. Подборенки и к центру г. Ижевска.

Результаты и их обсуждение

На основе анализа отобранных проб было установлено, что почвы I пояса ЗСО родников имеют следующие показатели. Для большинства характерна щелочная реакция среды (рНКС1 более 7), незначительно выбиваются из общей картины лишь почвы родника №1 (рис. 1).

№ родников

Рис. 1. Кислотность почв (обменная - рН и гидролитическая -Нг, ммоль/100 г почвы) I пояса ЗСО источников по р. Подборенке

Среднее значение рНКСі для исследованных почв составляет 7,25 ±0,05. Такие показатели не характерны для естественных зональных почв, причина изменений - антропогенное воздействие. При этом сравнение с данными по другим городским ландшафтам [4] свидетельствует об огромном прессинге на почвы близ родников: они по значениям обменной кислотности

99

2QQ6. №1Q

приближаются к транспортным и промышленным ландшафтам. При этом почвы I пояса ЗСО родников сохраняют достаточно высокие значения гидролитической кислотности (в среднем Нг = 6,54 ммоль/100г почвы), что сопоставимо с естественными. Наименее трансформированными являются почвы I пояса ЗСО родника № 1, они более близки к естественным почвам не только по значениям кислотности, но и по накоплению катионов (рис. 2).

Рис. 2. Сумма поглощенных оснований (8) и степень насыщенности основаниями (V) почв I пояса ЗСО источников по р. Подборенке

Городские почвы в целом характеризуются накоплением различных химических веществ, что отражается в росте суммы поглощенных оснований и степени насыщенности основаниями. Эта закономерность типична и для почв I пояса ЗСО родников: 8 практически везде является высокой, в среднем составляя 36,5 ± 1,7 ммоль/100 г почвы; V для всех исследованных почв характеризуется как высокая (> 90 %), в среднем составляя 97,8 ± 0,3 %.

Определяющее влияние города на состав почв I пояса ЗСО источников прекрасно иллюстрируют рис. 1 - 4. Очевидно, что с приближением к центру города (вниз по течению реки) почвенные характеристики направленно изменяются. Так, показатель рНКС от родника №1 до родника №8 возрастает на 0,8 ед., а значение Нг снижается более чем в 3 раза (13,9 и 4,1 ммоль/100г почвы соответственно). Сумма поглощенных оснований родников № 1-4 в 1,5 раза ниже, чем для родников № 5-8 (28,7 и 44,9 ммоль/100 г почвы соответственно).

Аналогичные тенденции наблюдаются и при рассмотрении содержания Сорг (рис. 3) (из общего ряда выпадают родники № 1 и 8, вероятно, в силу некоторых локальных изменений). Содержание Сорг при движении вдоль р. Подборенки к центру возрастает с 0,75 % (родник №2) до 9,35 % (родник №7), что, скорее всего, является следствием аэрогенного поступления летучих органических веществ.

При этом сравнение количества органического вещества в естественных городских почвах [4] и почвах I пояса ЗСО родников показало, что содержание органики в них сопоставимо (3,4 и 3,8 % соответственно). Однако

2QQ6. №1Q

приведенные количественные данные не могут характеризовать качественный состав Сорг, так как в естественных почвах органика может быть представлена на 90 % гумусом, тогда как в городских почвах могут лидировать органические вещества абиогенного происхождения.

N

Рис. 3. Содержание органического вещества в почвах I пояса ЗСО источников по р. Подборенке, %

Содержание в исследованных почвах макроэлементов не очень сбалансировано: содержание фосфора и калия очень высокое (в среднем 365±33 и 297±23 мг/кг соответственно), тогда как количество нитратов (т.е. легко доступного азота) очень низкое (9,2±1,9 мг/кг) (рис. 4).

900

г800

■t 700 S

>s" 600

1500 ки 400

ро 300 ■& g 200 ф

100

0

] фосфор ]калий нитраты

3456 № родника

30

25

20

10

5

0

2

7

8

Рис. 4. Содержание фосфора, калия и нитратов в почвах I пояса ЗСО источников по р. Подборенке, мг/кг

Последнее может быть следствием активного поглощения доступного азота растениями, так как его определение проводилось в конце лета, а не перед периодом вегетации. Однако почвы I пояса ЗСО родников № 6 и 7 даже

iGi

2GG6. №1G

при таком опробовании характеризуются очень высоким содержанием нитратов, что может служить подтверждением наличия антропогенного поступления азота, который не успевают поглощать растения или микроорганизмы-денитрификаторы.

В отличие от калия для фосфора прослеживается тенденция к росту содержания от источника № 1 к источнику № 6. Это закономерно, если учесть, что антропогенное поступление фосфора в городе выявлено, тогда как для калия достоверных подтверждений для Ижевска не отмечается [4]. Причины выпадения из общего ряда почв I пояса ЗСО родников № 7 и 8 в исследовании выявлены не были.

Содержание в почве хлоридов в среднем составляет 10,4 ± 1,5 мг/кг, наибольшие значения выявлены для родников № 2 и 7 (15,4 и 26,1 мг/кг соответственно) (рис. 5).

N

Рис. 5. Содержание хлоридов в почвах I пояса ЗСО источников по р.

Подборенке, мг/кг

Четкого направленного изменения в содержании хлоридов не выявлено, что вполне закономерно, так как поступление хлоридов в большинстве случаев происходит не аэрогенно. Приуроченность хлоридного загрязнения к автодорогам, вероятно, связана с применением противогололедных смесей, имеющих в составе хлориды, которые поступают в исследуемые почвы.

Количество сульфатов в исследованных почвах очень низкое (менее

0,07 мг/кг) и в большинстве случаев ниже порога определения, поэтому интерпретировать полученные результаты затруднительно.

Содержание 2п, Си, Бе и Мп в почвах I пояса ЗСО родников весьма значительно колеблется от следов до ПДК. В сравнении с естественными почвами, сохранившимися в городе [4], почвы близ родников имеют более низкое содержание железа и марганца, содержание цинка сопоставимо, а концентрация меди выше, чем в естественных, в среднем в 4 раза.

Так же как и с агрохимическими показателями, прослеживается тенденция к росту содержания металлов при движении к центру города (табл. 2).

2GG6. №iG

Дисперсионный анализ выявил достоверные отличия между группами родников по содержанию 2п, Си и Бе (Р< 0,05). Для марганца, элемента наименее связанного с антропогенными выбросами по г. Ижевску [4], незначительные отличия обусловлены, вероятно, естественной вариабельностью.

Особенно ярко выражено антропогенное накопление в почвах I пояса ЗСО родников меди и цинка (рис. 6). В результате в почвах родников № 6 и 7 содержание меди приближается к ПДК. Аналогичная ситуация наблюдается по цинку для источников № 5 и 7.

Таблица 2

Содержание Zn, Си, Ее и Мп в почвах I пояса ЗСО родников

р. Подборенки, мг/кг

№ родника Mn Zn Cu Fe

i-4 (n=i9) 232,9±i5,3** 9,б±4,5 следы i472,4±3i,S

5-S(n=iS) 2б4,б±^,8 4б,5±7,3 2S,7±4,9 Ібі7,5±37,4

р* G,1G65 G,GGGi G,GGGi G,GG27

i-S 248,8±^,б 27,5±5,3 15,5±2,9 1546,S±27,G

* - достоверность отличий группы родников с 1-го по 4-й от группы с 5-го по 8-й (1 критерий Стьюдента)

** - данные М±т

Повышенное содержание цинка в почве у родника №2 свидетельствует об автотранспортном его происхождении, так как этот источник расположен на территории автогаражного кооператива. Отличия в накоплении 2п и Си обусловлены, вероятно, разными источниками поступления металлов. Достоверные корреляции, а значит, и возможность совместного поступления выявлены только для пар Бе- Си (г=0,74) и Бе- Мп (г=0,90).

с

N

3

О

2000 1800 1600 1400 1200 £ 1000 5

800 и-

600

400

200

0

№ родника

Рис. 6. Содержание 2п, Си и Бе в почвах I пояса ЗСО источников по р. Подборенке

1G3

2GG6. №iG

Накопление исследуемых элементов в почвах I пояса ЗСО родников должно было отразиться на составе растений. Высокая вариабельность полученных результатов свидетельствует о воздействии города на химический состав растений. Помимо этого прослеживается нарушение соотношения элементов в тканях растений. Для Асег negundo, произрастающего в I поясе ЗСО, отношение Бе к Мп составило 1,7, тогда как в фоновых условиях для древесных форм этот показатель колеблется в пределах - 0,05-0,2. По соотношению Бе/Мп состояние Асег negundo характеризуется как удовлетворительное. При этом рассматривая среднее содержание элементов в листьях Асег negundo, необходимо отметить весьма низкие их концентрации (табл. 3).

Таблица 3

Содержание Zn, Си, Ее и Мп в листьях Асег negundo произрастающего в I поясе ЗСО родников р. Подборенки, мг/кг

Металлы i-4 (n=14) 5-8 (n=17) р i-S (n=3i)

М±т М±т

Mn 4G,2±5,5 53,8±7,5 G,G7S 47,2±4,S

Zn 13,4±3,1 14,2±3,5 G,436 i3,S±2,3

Cu 3,3±G,4 2,5±G,4 G,G76 2,9±G,3

Fe 92,4±48,2 73,7±53,6 G,399 S2±36

Содержание 2п, Бе и Мп не выходит за пределы нормального, а концентрация меди даже ниже нормального уровня для древесных пород [5]. Достоверных отличий при делении проб на две группы не выявлено (Р>0,05).

Выделяя максимумы, необходимо заметить сходное с почвами распределение цинка: больше всего его накопилось в растениях родников № 2, 6 и 7, однако в целом достоверных корреляций между содержанием в почве и растении не наблюдается ни по одному металлу. Это, скорее всего, обусловлено сочетанием фолиарного и корневого поглощения элементов.

Выводы

1. Почвы I пояса ЗСО родников р. Подборенки по своим агрохимическим характеристикам являются щелочными с высокими значениями гидролитической кислотности, суммы поглощенных оснований и степени насыщенности основаниями, со средним содержанием гумуса, очень высоким содержанием подвижных соединений фосфора и калия.

2. Количество анионов в исследуемых почвах значительно варьируется. Содержание хлоридов в среднем составляет 10,4 ± 1,5 мг/кг, максимумы приурочены к автодорогам; концентрация нитратов очень низкая - 9,2±1,9 мг/кг, количество сульфатов в почвах большинства родников ниже порога определения.

3. Расположение в черте города предопределяет накопление в почвах ТМ, однако содержание их в почвах I пояса ЗСО родников р. Подборенки не достигает уровня ПДК. Среднее содержание в почвах составляет для 2п -27,5±5,3, Си - 15,5±2,9, Бе - 1546,8±27,0 и Мп - 248,8±12,6 мг/кг.

2006. №10

4. Аэрогенное поступление городских выбросов оказывает существенное влияние на изменение химических характеристик почв. Для большинства показателей (рНКС1, Нг, S, V, Сорг, подвижного фосфора, нитратов, Zn, Cu и Fe) прослеживается четкая тенденция к направленному изменению значений с приближением к центральной части города.

5. Содержание Zn, Mn и Fe в листьях Acer negundo I пояса ЗСО исследуемых родников характеризуется как нормальное, для меди - ниже нормального. Достоверных корреляций между содержанием металлов в почве и растениях не выявлено; повышения концентрации тяжелых металлов с приближением к центральной части города также не выявлено.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Родники Ижевска / Под ред. В.В. Туганаева. Ижевск: Изд. дом «Удмуртский университет», 2002. 156 с.

2. Кузнецов М. Ф. Химический анализ почв и растений в экологических исследованиях. Ижевск, 1997. 32 с.

3. Методы определения катионов и анионов в почвах. Ижевск, 2002. 48 с.

4. Рылова Н.Г. Трансформация почвенного покрова в условиях промышленного города и ее воздействие на растительность (на примере г. Ижевска): Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Ижевск, 2003. 19 с.

5. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва-растение. Новосибирск: Наука, 1991. 151 с.

Поступила в редакцию 25.09.06

N. G. Rylova, M. F.Kuznetsov, V. V. Plavinscaja

The soils and plants chemical characteristics in sanitary protection zones of springs along the Podborenka river in Izhevsk

The data presents the data on the agrochemical characteristics, the contents of Cl- (chloride), NO3- (nitrates), and SO42- (sulfate) ions in the soils of the first belt in sanitary protection zones of 8 springs along the Podborenka river in Izhevsk. The substance of Zn, Cu, Fe and Mn in the investigated plants (Acer negundo) and soil samples have been revealed.

It was found that there are considerable changes of urban soils in comparison with natural soils. The aerogenic emission influence on chemical composition of soil and plants was clearly traced.

Рылова Наталья Григорьевна Кузнецов Максим Филиппович Плавинская Валентина Викторовна

Удмуртский государственный университет 426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1, корп. 1 Е-mail: rng@uni.udm.ru