CC BY
89
Комплексная оценка состояния урбоэкосистем (на примере промышленных городов Байкальского региона)
О.В. Шергина, к.б.н., Т.А.Михайлова, д.б.н., Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН
Состояние окружающей среды на урбанизированных территориях определяется действием целого ряда негативных антропогенных факторов, среди которых доминирующие позиции занимает техногенное загрязнение. По данным Минприроды России [1], такие города Байкальского региона, как Иркутск, Шелехов, Ангарск, Усолье-Сибирское, занимают прочную позицию
в списке самых загрязнённых населённых пунктов РФ. В последние годы выраженное ухудшение экологической ситуации в городах происходит также вследствие несанкционированных вырубок зелёных массивов под застройку и резкого увеличения количества автотранспорта на улицах. Подобная ситуация на урбанизированных территориях региона инициировала проведение научных исследований, связанных с оценкой состояния окружающей среды и разработкой мероприятий, направленных на улучшение и
восстановление природных компонентов городской экосистемы. К числу таких компонентов, выполняющих ключевые средообразующие и средозащитные функции, относятся в первую очередь растительность и почвенный покров. На основе научных результатов исследований растений и почв представляется возможным с высокой степенью информативности выявить механизмы устойчивости урбоэкосистемы, а также определить основной вектор её трансформации под воздействием техногенных факторов различного масштаба и интенсивности.
Цель и методика исследований. В рамках указанной проблемы целью работы было исследовать характеристики почвенного покрова и параметры древесных растений в городах Байкальского региона (гг. Иркутск, Шелехов, Ангарск, Усолье-Сибирское) и выявить основные факторы, вызывающие их нарушение. В основу исследований положен разработанный нами методологический подход к оценке экологического состояния городов [2]. Подход базируется на выявлении и исследовании комплекса взаимосвязанных параметров растений и почв на профильно-генетическом уровне и учитывает взаимообусловленное изменение этих компонентов при антропогенном воздействии.
Натурные исследования проводили в 2007— 2011 гг. на территориях городских парков и лесопарков. Объектами исследований служили древесные породы: сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) и берёза повислая (Betula pendula Roth.), произрастающие на серых лесных почвах. Всего в городах было обследовано 32 ключевых участка. Фоновые участки выбирали в естественных лесах с идентичным типом почв на удалении 50—120 км от городских территорий. На ключевых участках проводили геобо-таническое описание, оценивали повреждение деревьев насекомыми-вредителями и болезнями, измеряли морфоструктурные параметры побегов деревьев, отбирали образцы хвои (листьев) на содержание химических элементов. Изучение почв проводили методом почвенных разрезов и посредством отбора усреднённых проб органической подстилки квадратно-конвертным способом. В лабораторных условиях произво-
дили определение содержания элементов в растительных пробах после озоления материала с соляной кислотой. В почвенных пробах изучали концентрацию подвижных форм элементов в вытяжке 1 М НС1. Определение содержания калия, натрия выполняли методом эмиссионной пламенной фотометрии; кальция, магния, марганца и тяжёлых металлов — методом атомной абсорбционной спектроскопии; азота, фосфора, хлора — фотоколориметрическим методом; серы — турбидиметрическим методом.
Результаты исследований. Результаты исследований показали, что согласно региональному систематическому списку почв [3], критерии выделения серых лесных почв на городских территориях традиционны и строение почвенного профиля представлено последовательностью генетических горизонтов: 0—А—АВ—(АЕ)—В1(В1— В2)—ВС—С. Обследованные городские почвы относятся к естественным с разной степенью нарушенности верхних горизонтов. Изменения морфологических и физико-механических свойств почв заключаются в уменьшении массы органической подстилки, сильном уплотнении верхних горизонтов, снижении содержания доступной влаги, пористости и аэрации. Так, при увеличении плотности сложения верхних горизонтов городских почв в 1,5—2 раза обнаруживается снижение её пористости на 35%, аэрации — на 75%, общей влажности — в 2,5 раза.
Изучение кислотности почв (рНка) показало, что на большей части городских территорий в гумусово-аккумулятивных горизонтах обнаруживается увеличение щелочности до значений 7,1—7,5 в сравнении с нижними органоминеральными горизонтами. Смещение реакции среды обусловлено воздействием на почвенный покров техногенных выбросов, содержащих в своём составе большое количество щелочных компонентов.
Изучение геохимических особенностей поведения элементов-загрязнителей в почвенном профиле показало активное перемещение и накопление подвижных форм тяжёлых металлов во всех горизонтах городских почв, вплоть до почвообразующего. При этом уровень свинца в горизонтах почв может превышать фоновые зна-
Изменение соотношений* концентраций элементов в хвое и листьях деревьев на городских и фоновых территориях
Соотношение элементов Сосна Берёза
центр города городские окраины фон центр города городские окраины фон
P: Pb б9:31 82:18 9б:4 74:2б 89:11 92:8
Mg: Pb б4:3б 80:20 91:9 78:22 85:15 9б:4
K: Pb 52:48 79:21 93:7 б9:31 84:1б 92:8
Mn: Pb 55:45 70:30 94:б 71:29 82:18 97:3
Примечание: * — соотношения вычислялись как процентная доля каждого элемента от суммы концентраций двух
элементов в сухом веществе хвои
чения до 25 раз, кадмия, меди — до 15 раз. При исследовании механизмов перераспределения сульфат-иона в почвенном профиле выявлено, что высокое содержание этого элемента, превышающее фоновый уровень до 8 раз, обнаруживается в органической подстилке и верхних гумусовых горизонтах. В органоминеральных горизонтах АВ и АЕ отмечается снижение уровня серы, что обусловлено промывным типом режима почв. В горизонтах В1(В1—В2) концентрация серы снова возрастает (до 9 раз в сравнении с фоновыми значениями) за счёт прочной фиксации ионов серы иллювиальными коллоидами. В почвообразующих горизонтах обнаруживается значительное увеличение содержания серы, фоновый уровень превышен в 24 раза, что указывает на активную миграцию сульфат-иона из верхней части почвенного профиля в нижележащие горизонты.
Ухудшение почвенных условий и высокий уровень техногенного загрязнения атмосферного воздуха оказывают сильное негативное воздействие на питательный статус деревьев. Так, на территории г. Иркутска концентрация свинца в хвое и листьях деревьев, произрастающих в центре города, превышает фоновые значения до 15 раз, кадмия — до 8 раз, меди и серы — до 5 раз. На участках городской территории, прилегающих к ТЭЦ и промышленным предприятиям, превышение фоновых концентраций свинца в хвое и листьях достигает 25 раз, тогда как на городских окраинах выявлено небольшое (до 3 раз) превышение уровня элементов-загрязнителей в ассимиляционных органах.
Показано также, что при увеличении долей элементов-загрязнителей (серы, хлора, свинца, кадмия, меди) в хвое и листьях деревьев параллельно происходит снижение долей фосфора, магния, калия и марганца. Например, в центральной, наиболее загрязнённой, части г. Иркутска в ассимиляционных органах деревьев обнаруживается самое сильное снижение уровня биогенных элементов на фоне увеличения концентраций свинца (табл.). На городских окраинах дисбаланс элементов в хвое и листьях деревьев меньший, но тем не менее он явно выражен по сравнению с фоновыми территориями.
Результаты исследований свидетельствуют, что поступающие с техногенными выбросами элементы-поллютанты в первую очередь взаимодействуют с почвенным поглощающим комплексом. При этом подвижные формы тяжёлых металлов и серы изменяют миграционную способность и доступность обменных катионов (К+, №+, Са2+, Mg2+) для корневых систем растений, что приводит к нарушению трендов основных биогенных элементов и их дисбалансу в ассимилирующей фитомассе деревьев. Так, в
хвое сосны соотношение ^Р:К изменяется за счёт повышения доли азота и снижения долей калия и фосфора. Если на фоновых территориях соотношение N : Р : К составляет 69 : 10 : 21, то на территории г. Иркутска — 77:8:15, г. Шелехо-ва — 82 : 5 : 13, г. Ангарска — 76:8:16, г. Усолья-Сибирского — 74:8:18.
Установлено, что активное накопление элементов-загрязнителей в горизонтах городских почв приводит к их аккумуляции в ассимиляционных органах растений. Нами выявлена прямая корреляция (г = 0,52—0,75, Р = 0,05, п=32) между содержанием свинца, кадмия, меди в горизонтах всего почвенного профиля с концентрацией этих элементов в хвое и листьях древесных растений. На основе этих данных можно говорить о наличии процесса высвобождения тяжёлых металлов в почвенный раствор и об их активном поступлении в корневую систему и далее в ассимиляционные органы деревьев из всей глубины городских почв.
Элементы-загрязнители, поступившие в ассимиляционные органы через почву или аэраль-ным путём, оказывают выраженное негативное воздействие на ростовые процессы древесных растений. Об этом свидетельствуют выявленные обратные корреляции (г = — 0,51—0,83, Р = 0,05, п = 32) между морфоструктурными характеристиками деревьев сосны (длина побегов второго года жизни; масса, длина и количество хвоинок на побеге) и содержанием в хвое серы, хлора, свинца, кадмия, меди.
Исследования показали, что ухудшение жизненного состояния растений в городах обусловлено помимо загрязнения высокой рекреационной нагрузкой, изменяющей морфологические и физико-механические свойства почв. Так, при повышении плотности сложения почв в 1,5—2 раза для травянистых растений обнаруживается снижение до 50% проективного покрытия, уменьшение на 30—40% общего количества видов и увеличение до 3 раз подземной биомассы за счёт роста в составе травостоя доли рудеральных видов с мочковатой корневой системой. Также исследования показали, что нарушение структуры почв, снижение влажности, пористости и аэрации приводит к значительному увеличению дефолиации крон хвойных и лиственных деревьев; снижению массы и количества хвоинок на побеге, уменьшению длины побегов и продолжительности жизни хвои. Полученные зависимости характерны для всех обследованных городов региона. На фоновых территориях подобных связей не обнаружено.
К числу сопутствующих негативных факторов, влияющих на жизненное состояние деревьев на урбанизированных территориях, следует отнести поражение их грибными болезнями и энтомовредителями [4]. Как правило, этот
фактор в меньшей степени влияет на состояние растений, но в сочетании с ключевыми вышеназванными воздействиями фитопатогенный эффект может значимо усилиться. Поражение деревьев энтомовредителями и грибными болезнями может существенно нарушать баланс элементов питания в хвое и листьях. При этом обнаружено, что в ассимилирующей фитомассе особенно сильно снижается содержание таких биогенных элементов, как азот, калий, магний, кальций, фосфор, марганец.
Выводы. В целом полученные результаты свидетельствуют о том, что в результате воздействия техногенного загрязнения и высокой рекреационной нагрузки в почвах промышленных городов Байкальского региона наблюдаются значительное нарушение морфологических и физико-механических свойств и изменение геохимических процессов. Об этом свидетельствует трансформация водно-воздушного режима почв, изменение кислотно-основных свойств, нарушение ионообменных процессов, активное накопление и интенсивная миграция
элементов-загрязнителей по всей глубине почвенного профиля.
Показано, что подвижные формы тяжёлых металлов и серы изменяют доступность питательных веществ для корневых систем растений, это приводит к дисбалансу основных биогенных элементов в ассимилирующей фитомассе деревьев. Наличие достоверных корреляционных связей между показателями почв и древесных растений подтверждает высокую экологическую значимость этих компонентов при комплексной оценке состояния окружающей среды урбоэко-системы.
Литература
1. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2008 году. М.: МПР и экологии РФ, 2009. 182 с.
2. Шершна О.В., Михайлова Т.А. Состояние древесных растений и почвенного покрова парковых и лесопарковых зон г. Иркутска. Иркутск: Изд-во ИГ СО РАН, 2007. 200 с.
3. Воробьёва Г. А. Классификация и систематика почв южной (освоенной) части Иркутской области: методич. указания. Иркутск: Облмашинформ, 1999. Ч. 1. 47 с.
4. Михайлова Т.А., Шергина О.В., Морозова Т.И. Основные принципы стратегии озеленения урбанизированных территорий // Проблемы озеленения городов Сибири и сопредельных территорий: матер, междунар. науч.-практич. конф. Чита, 2009. С. 72-75.
